Открытие, получившее Нобелевскую премию, можно использовать в лечении рака Лауреат этого года открыл и описал механизм аутофагии - фундаментального процесса удаления и утилизации компонентов клеток. Нарушения в процессе аутофагии или очищения клеток от «мусора» может привести к развитию таких заболеваний, как рак и неврологические заболевания.

Британский физик Девид Джеймс Тоулесс (David James Thouless) родился в 1934 году в городе Берсден, Шотландия (Великобритания).
В 1955 году получил степень бакалавра в Кембриджском университете (Великобритания). В 1958 году получил степень доктора философии в Корнельском университете (США).

После защиты докторской диссертации работал в университетах в Беркли и в Бирмингеме.

С 1965 года по 1978 год - профессор математической физики в университете Бирмингема, где сотрудничал с физиком Майклом Костерлитцем .

Тоулесс и Костерлитц в начале 1970-х годов перевернули существующие теории, предполагавшие, что явление сверхпроводимости и сверхтекучести не могут наблюдаться в тонких слоях. Они продемонстрировали, что сверхпроводимость может наблюдаться при низких температурах и объяснили фазовые переходы, которые заставляют сверхпроводимость исчезать при более высоких температурах.

С 1980 года Тоулесс был профессором физики в Университете штата Вашингтон в Сиэтле (США). В настоящее время - почетный профессор в Университете штата Вашингтон .

Доктор Тоулесс является действительным членом Королевского общества, членом Американского физического общества, действительным членом Американской академии искусств и наук, а также членом американской Национальной академии наук.

Обладатель медали Максвелла (Maxwell Medal) и медали Поля Дирака (Paul Dirac Medal), присуждаемых Британским институтом физики; медали Хольвека (Holweck Medal) от Французского физического общества и Института физики. Лауреат премии имени Фрица Лондона (Fritz London Award), которая вручается ученым, внесшим выдающийся вклад в области физики низких температур; премии Ларса Онзагера (Lars Onsager Prize) от Американского физического общества и премии Вольфа (Wolf Prize).

4 октября 2016 года Девиду Тоулессу была за открытие топологических переходов и топологических фаз материи.

Костерлитц Майкл

Ученые оценили абстрактные подходы нобелевских лауреатов-2016 по физике Лауреаты Нобелевской премии 2016 года по физике применили остроумные абстрактные подходы к описанию свойств материи. Результаты их исследований важны в том числе для создания новых электронных устройств, считают российские ученые.

Британский физик Джон Майкл Костерлитц (John Michael Kosterlitz) родился в 1942 году в Абердине , Шотландия (Великобритания).

В 1965 году получил степень бакалавра, в 1966 году — степень магистра в Кембриджском университете (Великобритания), в 1969 году - докторскую степень в области физики высоких энергий в Оксфордском университете (Великобритания).

Майкл Костерлитц награжден медалью Максвелла (Maxwell Medal) британского Института физики (1981), является лауреатом премии Ларса Онзагера (Lars Onsager Prize) Американского физического общества (2000).

Халдейн Данкан

Британский физик Данкан Халдейн (Duncan Haldane) родился 14 сентября 1951 года в Лондоне (Великобритания).

В 1973 году получил степень бакалавра, в 1978 года - доктора физических наук в Кембриджском университете (Великобритания).

В 1977-1981 годах работал в Международном институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле, Франция.

В 1981-1985 годах - доцент физики Университета Южной Калифорнии, США.

В 1985-1987 годах работал во франко-американском исследовательском центре Bell Laboratories.

В 1987-1990 годах - профессор кафедры физики имени Юджина Хиггинса в Университете Калифорнии в Сан-Диего, США.

С 1990 года — профессор кафедры физики имени Юджина Хиггинса в Принстонском университете США.

Занимался разработкой нового геометрического описания дробного квантового эффекта Холла. В сферу исследований Халдейна входил эффект квантовой запутанности , топологические изоляторы.

С 1986 года - член Американского физического общества.

С 1992 года - член Американской академии искусств и наук (Бостон).

С 1996 года - член Королевского общества Лондона.

С 2001 года - член Американской ассоциации содействия и развития науки.

В 1993 году Данкан стал лауреатом премии Оливера Бакли (Oliver E. Buckley Condensed Matter Physics Prize) Американского физического общества. В 2012 году был удостоен медали Дирака (Dirac Medal) Международного центра теоретической физики имени Абдуса Салама.

В 2016 году Данкану Халдейну (совместно с Девидом Тоулессом и Майклом Костерлитцем) была по физике за открытие топологических переходов и топологических фаз материи. Как отмечается в пресс-релизе Нобелевского комитета, нынешние лауреаты "открыли двери в неизвестный мир", в котором материя может находиться в необычном состоянии. Речь, прежде всего, идет о сверхпроводниках и тонких магнитных пленках.

Альберт ЭЙНШТЕЙН . Нобелевская премия по физике, 1921 г.

Самый знаменитый из ученых XX в. и один из величайших ученых всех времен, Эйнштейн обогатил физику с присущей только ему силой прозрения и непревзойденной игрой воображения. Он стремился к поиску объяснения природы с помощью системы уравнений, которая обладала бы большой красотой и простотой. Был удостоен премии за открытие закона фотоэлектрического эффекта.

Эдуард ЭПЛТОН . Нобелевская премия по физике, 1947 г.

Эдуард Эплтон удостоен премии за исследования физики верхних слоев атмосферы, в особенности за открытие так называемого слоя Эплтона. Измерив высоту ионосферы Эплтон открыл второй непроводящий слой, сопротивление которого позволяет отражать коротковолновые радиосигналы. Этим открытием Эплтон установил возможность прямого радиовещания на весь мир.

Лео ЭСАКИ . Нобелевская премия по физике, 1973 г.

Лео Эсаки получил премию вместе с Айвором Джайевером за экспериментальные открытия туннельных явлений в полупроводниках и сверхпроводниках. Эффект туннелирования позволил достичь более глубокого понимания поведения электронов в полупроводниках и сверхпроводниках, макроскопических квантовых явлений в сверхпроводниках.

Хидэки ЮКАВА . Нобелевская премия по физике, 1949 г.

Хидэки Юкава за предсказание существования мезонов на основе теоретической работы по ядерным силам был удостоен премии. Частица Юкавы стала известна как пи-мезон, затем просто пион. Гипотеза Юкавы была принята, когда Сесил Ф. Пауэлл обнаружил частицу Ю. с помощью ионизационной камеры, помещенной на больших высотах, затем мезоны были искусственно получены в лаборатории.

Чжэньнин ЯНГ . Нобелевская премия по физике, 1957 г.

За предвидение при изучении так называемых законов четности, которое привело к важным открытиям в области элементарных частиц Чжэньнин Янг получил премию. Решена была наиболее тупиковая проблема в области физики элементарных частиц, после чего экспериментальная и теоретическая работа забила ключом.

Сегодня, 2 октября 2018 года, в Стокгольме прошла церемония объявления лауреатов Нобелевской премии по физике. Премию вручили «за прорывные открытия в области лазерной физики». В формулировке отмечено, что половина приза уходит Артуру Эшкину (Arthur Ashkin) за «оптические пинцеты и их использование в биологических системах» и другая половина - Жерару Муру (Gérard Mourou) и Донне Стрикленд (Donna Strickland) «за их метод генерирования высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов».

BREAKING NEWS⁰The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the #NobelPrize in Physics 2018 “for groundbreaking inventions in the field of laser physics” with one half to Arthur Ashkin and the other half jointly to Gérard Mourou and Donna Strickland. pic.twitter.com/PK08SnUslK

2 октября 2018 г.

Артур Эшкин изобрел оптический пинцет, способный захватывать и перемещать отдельные атомы, вирусы и живые клетки, причем не повреждая их. Делает он это за счет фокусировки лазерного излучения и использования градиентных сил, втягивающих частицы в область с более высокой интенсивностью электромагнитного поля. Впервые захватить живую клетку таким образом удалось в 1987 году как раз группе Эшкина. В настоящий момент этот метод широко используется для изучения вирусов, бактерий, клеток человеческих тканей, а также в манипуляциях отдельными атомами (для создания наноразмерных систем).

Жерару Муру и Донне Стрикленд впервые удалось создать источник ультракоротких лазерных импульсов высокой интенсивности без уничтожения рабочей среды лазера в 1985 году. До их исследований значительное усиление короткоимпульсных лазеров было невозможно: однократный проход импульса через усилитель приводил к разрушению системы из-за слишком большой интенсивности.

Разработанный Муром и Стрикленд метод генерации импульсов сегодня называют усилением чирпированных импульсов: чем короче лазерный импульс, тем шире его спектр, и все спектральные компоненты распространяются вместе. Однако с помощью пары призм (или дифракционных решеток) спектральные компоненты импульса можно задержать относительно друг друга перед попаданием в усилитель и тем самым уменьшить интенсивность излучения в каждый момент времени. После этого такой чирпированный импульс усиливают оптической системой, а затем снова сжимают до короткого импульса - с помощью оптической системы с обратной дисперсией (как правило, дифракционных решеток).

Ultra-sharp laser beams make it possible to cut or drill holes in various materials extremely precisely – even in living matter. Millions of eye operations are performed every year with the sharpest of laser beams.#NobelPrize pic.twitter.com/MiYb4i8AHw

The Nobel Prize (@NobelPrize) October 2, 2018

Усиление чирпированных импульсов позволило добиться создания работоспособных фемтосекундных лазеров заметной мощности. Они способны давать мощные импульсы, длительностью в квадрилионные доли секунды. На их основе сегодня создан целый ряд перспективных систем как в электронике, так и в лабораторных установках, важных для целого ряда областей физики. При этом они постоянно находят себе новые, часто неожиданные области практического применения.

Например, метод фемтосекундной лазерной коррекции зрения (SMall Incision Lenticula Extraction) позволяет удалять часть роговицы глаза человека и тем самым корректировать близорукость. Хотя сам подход лазерной коррекции был предложен еще в 1960-х, до появления фемтосекундных лазеров мощности и краткости импульсов не хватало для эффективной и безопасной работы с глазом: длительные импульсы перегревали ткани глаз и повреждали их, а короткие были слишком слабыми для получения нужного надреза в роговице. Сегодня миллионы людей по всему миру прооперированы с использованием подобных лазеров.

Кроме этого, фемтосекундные лазеры благодаря малой длительности своих импульсов позволили создать приборы, отслеживающие и контролирующие сверхбыстрые процессы как в физике твердого тела, так и в оптических системах. Это чрезвычайно важно, потому что до получения средства фиксации процессов, идущих на таких скоростях, было практически невозможно изучать поведение целого ряда систем, на основе которых, как предполагается, можно будет создать перспективную электронику будущего.

Алексей Щербаков , старший научный сотрудник Лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ, дал комментарий «Чердаку»: «Нобелевская премия для Жерара Муру за вклад в разработку фемтосекундных лазеров назревала очень давно, десять лет или, может быть, больше. Роль соответствующих работ поистине фундаментальная, и лазеры такого рода находят все больше применений по всему миру. Сегодня уже трудно даже перечислить все области, где их используют. Правда, я затрудняюсь сказать, чем вызвано решение Нобелевского комитета объединить в одной премии и Муру, и Ашкина, разработки которых напрямую не связаны. Это, действительно, не самое очевидное решение со стороны комитета. Может быть, решили, что дать премию только Муру или только Ашкину нельзя, а вот если за одно направление дать половину премии, а за другое - другую половину, то это будет выглядеть достаточно обосновано» .

Нобелевская премия по физике - высшая награда за научные достижения в соответствующей науке - ежегодно присуждается Шведской королевской академией наук в Стокгольме. Она была учреждена по завещанию шведского химика и предпринимателя Альфреда Нобеля. Премия может быть присуждена максимум троим ученым одновременно. Денежное вознаграждение могут распределить между ними поровну либо разделить на половину и две четверти. В 2017 году денежная премия была повышена сразу на одну восьмую - с восьми до девяти миллионов крон (примерно 1,12 миллиона долларов).

Каждый лауреат получает медаль, диплом и денежное вознаграждение. Медали и денежные призы лауреатам традиционно вручат на ежегодной церемонии в Стокгольме 10 декабря - в годовщину смерти Нобеля.

Первую Нобелевскую премию по физике вручили в 1901 году Вильгельму Конраду Рентгену за открытие и изучение свойств лучей, которые позднее назвали в его честь. Интересно, что ученый принял премию, но отказался приехать на церемонию вручения, сказав, что очень занят. Поэтому награду ему переслали почтой. Когда правительство Германии во время Первой мировой войны обратилось к населению с просьбой помочь государству деньгами и ценностями, Рентген отдал все свои сбережения, включая Нобелевскую премию.

В прошлом - 2017 году - Нобелевскую премию по физике получили Райнер Вайсс, Барри Бэриш и Кип Торн. Эти три физика внесли решающий вклад в детектор LIGO, обнаруживший гравитационные волны. Теперь с их помощью стало возможно отслеживать слияния невидимых для телескопов нейтронных звезд и черных дыр.

Интересно, что со следующего года ситуация с выдачей Нобелевских премий может заметно измениться. Нобелевский комитет будет рекомендовать экспертам, принимающим решения по премиям, подбирать кандидатов с учетом пола, чтобы среди них было больше женщин, а также по этнической принадлежности, для увеличения количества представителей не западных народов). Впрочем, вероятно, это не коснется физики - до сих пор всего двое лауреатов этой премии были женщинами. И только в этом году Донна Стрикленд стала третьей.

С формулировкой «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи ». За этой несколько размытой и малопонятной широкой публике фразой стоит целый мир нетривиальных и удивительных даже для самих физиков эффектов, в теоретическом открытии которых лауреаты сыграли ключевую роль в 1970–1980-е годы. Они, конечно, были не единственными, кто осознал тогда важность топологии в физике. Так, советский физик Вадим Березинский за год до Костерлица и Таулесса сделал, по сути, первый важный шаг к топологическим фазовым переходам. Рядом с именем Холдейна тоже можно поставить много других имен. Но как бы то ни было, все три лауреата безусловно являются знаковыми фигурами в этом разделе физики.

Лирическое введение в физику конденсированных сред

Объяснить доступными словами суть и важность работ, за которые был присужден физический Нобель-2016, - задача не из простых. Мало того, что сами явления сложные и вдобавок квантовые, так они еще и разнообразные. Премия была присуждена не за одно конкретное открытие, а за целый список пионерских работ, которые в 1970–1980-е годы стимулировали развитие нового направления в физике конденсированных сред. В этой новости я попробую достичь более скромной цели: объяснить на паре примеров суть того, что такое топологический фазовый переход, и передать ощущение, что это действительно красивый и важный физический эффект. Рассказ будет лишь про одну половину премии, ту, в которой проявили себя Костерлиц и Таулесс. Работы Холдейна столь же завораживающие, но они еще менее наглядные, и для их объяснения потребовался бы совсем уж длинный рассказ.

Начнем с блиц-введения в самый богатый на явления раздел физики - физику конденсированных сред.

Конденсированная среда - это, на житейском языке, когда много однотипных частиц собрались вместе и сильно воздействуют друг на друга. Почти каждое слово здесь - ключевое. Сами частицы и закон взаимодействия между ними - должны быть однотипными. Можно взять несколько разных атомов, пожалуйста, но главное, что дальше этот фиксированный набор повторяется снова и снова. Частиц должно быть очень много; десяток-другой - это еще не конденсированная среда. И, наконец, влиять они друг на друга должны сильно: толкать, тянуть, мешать друг другу, может быть обмениваться друг с другом чем-то. Разреженный газ конденсированной средой не считается.

Главное откровение физики конденсированных сред: при таких очень простых «правилах игры» в ней обнаружилось нескончаемое богатство явлений и эффектов. Такое многообразие явлений возникает вовсе не из-за пестрого состава - частицы-то однотипные, - а самопроизвольно, динамически, как результат коллективных эффектов . В самом деле, раз взаимодействие сильное, нет смысла смотреть на движение каждого отдельного атома или электрона, ведь оно тут же сказывается на поведении всех ближайших соседей, а может быть, даже и далеких частиц. Когда вы читаете книгу, она «говорит» с вами не россыпью отдельных букв, а набором связанных друг с другом слов, она передает вам мысль в форме «коллективного эффекта» букв. Так же и конденсированная среда «говорит» на языке синхронных коллективных движений, а вовсе не отдельных частиц. И вот этих коллективных движений, оказывается, огромное разнообразие.

Нынешняя Нобелевская премия отмечает работы теоретиков по расшифровке еще одного «языка», на котором могут «разговаривать» конденсированные среды, - языка топологически нетривиальных возбуждений (что это такое - чуть ниже). Конкретных физических систем, в которых возникают такие возбуждения, найдено уже немало, и ко многим из них приложили руку лауреаты. Но самое существенное здесь - не конкретные примеры, а сам факт того, что такое в природе тоже бывает.

Многие топологические явления в конденсированных средах были вначале выдуманы теоретиками и казались просто математической шалостью, не относящейся к нашему миру. Но потом экспериментаторы обнаруживали реальные среды, в которых эти явления наблюдаются, - и математическая шалость вдруг порождала новый класс материалов с экзотическими свойствами. Экспериментальная сторона этого раздела физики сейчас на подъеме, и это бурное развитие будет продолжаться и в будущем, обещая нам новые материалы с запрограммированными свойствами и устройства на их основе.

Топологические возбуждения

Сначала поясним слово «топологический». Не пугайтесь, что объяснение будет звучать как голая математика; связь с физикой проявится по ходу дела.

Есть такой раздел математики - геометрия, наука о фигурах. Если форму фигуры плавно деформировать, то, с точки зрения обычной геометрии, сама фигура меняется. Но у фигур бывают общие характеристики, которые при плавной деформации, без разрывов и склеек, остаются неизменными. Это и есть топологическая характеристика фигуры. Самый известный пример топологической характеристики - это количество дырок у трехмерного тела. Чайная кружка и бублик - топологически эквивалентны, они оба имеют ровно одну дырку, и потому плавной деформацией одну фигуру можно превратить в другую. Кружка и стакан - топологически различаются, потому что у стакана дырок нет. Для закрепления материала предлагаю ознакомиться с прекрасной топологической классификацией женских купальников .

Итак, вывод: всё то, что можно свести друг к другу плавной деформацией, считается топологически эквивалентным. Две фигуры, которые никакими плавными изменениями друг в друга не превратишь, считаются топологически разными.

Второе слово для объяснение - «возбуждение». В физике конденсированных сред возбуждение - это любое коллективное отклонение от «мертвого» неподвижного состояния, то есть от состояния с наименьшей энергией. Например, по кристаллу ударили, по нему побежала звуковая волна - это колебательное возбуждение кристаллической решетки. Возбуждения не обязательно вызывать насильно, они могут спонтанно возникать из-за ненулевой температуры. Обычное тепловое дрожание кристаллической решетки - это, по сути, много наложившихся друг на друга колебательных возбуждений (фононов) с разными длинами волн. Когда концентрация фононов велика, происходит фазовый переход, кристалл плавится. В общем, как только мы поймем, в терминах каких возбуждений следует описывать данную конденсированную среду, мы получим ключ к ее термодинамическим и прочим свойствам.

Теперь соединим два слова. Звуковая волна - это пример топологически тривиального возбуждения. Это звучит умно, но по своей физической сути это просто означает, что звук можно сделать сколь угодно тихим, вплоть до полного исчезновения. Громкий звук - колебания атомов сильные, тихий звук - слабые. Амплитуду колебаний можно плавно уменьшать до нуля (точнее, до квантового предела, но это тут несущественно), и это всё еще будет звуковое возбуждение, фонон. Обратите внимание на ключевой математический факт: существует операция плавного изменения колебаний до нуля - это просто уменьшение амплитуды. Именно это и означает, что фонон - топологически тривиальное возмущение.

А сейчас включается богатство конденсированных сред. В некоторых системах бывают возбуждения, которые нельзя плавно уменьшить до нуля . Не физически нельзя, а принципиально - форма не позволяет. Просто не существует такой повсюду плавной операции, которая переводит систему с возбуждением в систему с наименьшей энергией. Возбуждение по своей форме топологически отличается от тех же фононов.

Смотрите, как это получается. Рассмотрим простую систему (она называется XY-модель) - обычную квадратную решетку, в узлах которой есть частицы со своим спином, который может быть ориентирован как угодно в этой плоскости. Мы будем изображать спины стрелочками; ориентация стрелочки произвольная, но длина фиксирована. Мы будем также считать, что спины соседних частиц взаимодействуют друг с другом таким образом, что наиболее энергетически выгодная конфигурация - это когда все спины во всех узлах смотрят в одну сторону, как в ферромагнетике. Эта конфигурация показа на рис. 2, слева. По ней могут бежать спиновые волны - небольшие волнообразные отклонения спинов от строгой упорядоченности (рис. 2, справа). Но это всё обычные, топологически тривиальные возбуждения.

А вот теперь взгляните на рис. 3. Здесь показаны два возмущения необычной формы: вихрь и антивихрь. Выберите мысленно точку на картинке и пройдите взглядом по круговому пути против часовой стрелки вокруг центра, обращая внимание на то, что происходит со стрелочками. Вы увидите, что у вихря стрелочка поворачивается в ту же сторону, против часовой стрелки, а у антивихря - в противоположную, по часовой стрелке. Проделайте теперь тоже в основном состоянии системы (стрелочка вообще неподвижна) и в состоянии со спиновой волной (там стрелочка слегка колышется около среднего значения). Вы можете также представить себе и деформированные варианты этих картинок, скажем спиновая волна в нагрузку к вихрю: там стрелочка тоже будет делать полный оборот, слегка вихляя.

После этих упражнений становится ясно, что все возможные возбуждения разбиваются на принципиально различающиеся классы : делает ли стрелочка полный оборот при обходе вокруг центра или нет, и если делает, то в какую сторону. Эти ситуации имеют разную топологию. Никакие плавные изменения не могут превратить вихрь в обычную волну: если уж поворачивать стрелочки, то скачком, сразу на всей решетке и сразу на большой угол. Вихрь, равно как и антивихрь, топологически защищены : они, в отличие от звуковой волны, не могут просто так рассосаться.

Последний важный момент. Вихрь топологически отличается от простой волны и от антивихря только в том случае, если стрелочки лежат строго в плоскости рисунка. Если же нам разрешается выводить их в третье измерение, то тогда вихрь можно плавно устранить. Топологическая классификация возбуждений кардинально зависит от размерности системы!

Топологические фазовые переходы

Эти чисто геометрические рассуждения имеют вполне осязаемое физическое следствие. Энергия обычного колебания, того же фонона, может быть сколь угодно малой. Поэтому при любой сколь угодно низкой температуре эти колебания спонтанно возникают и влияют на термодинамические свойства среды. Энергия же топологически защищенного возбуждения, вихря, не может быть ниже некоторого предела. Поэтому при низких температурах отдельные вихри не возникают, а значит, не влияют на термодинамические свойства системы - по крайней мере, так считалось до начала 1970-х годов.

Между тем, в 1960-е годы усилиями многих теоретиков вскрылась проблема с пониманием того, что происходит в XY-модели с физической точки зрения. В обычном трехмерном случае всё просто и интуитивно понятно. При низких температурах система выглядит упорядоченно, как на рис. 2. Если взять два произвольных узла решетки, пусть даже и очень далеких, то спины в них будут слегка колебаться около одинакового направления. Это, условно говоря, спиновый кристалл. При высоких температурах происходит «плавление» спинов: два далеких узла решетки уже никак друг с другом не скоррелированы. Есть четкая температура фазового перехода между двумя состояниями. Если установить температуру ровно на это значение, то система будет находиться в особом критическом состоянии, когда корреляции еще есть, но плавно, степенным образом уменьшаются с расстоянием.

В двумерной решетке при высоких температурах тоже есть неупорядоченное состояние. А вот при низких температурах всё выглядело очень и очень странно. Была доказана строгая теорема (см. Теорема Мермина - Вагнера) о том, что в двухмерном варианте кристаллической упорядоченности нет. Аккуратные расчеты показали, что ее не то чтобы совсем нет, она просто уменьшается с расстоянием по степенному закону - ровно как в критическом состоянии. Но если в трехмерном случае критическое состояние было только при одной температуре, то тут критическое состояние занимает всю низкотемпературную область. Получается, в двумерном случае в игру вступают какие-то другие возбуждения, которых не существует в трехмерном варианте (рис. 4)!

Сопроводительные материалы Нобелевского комитета рассказывают о нескольких примерах топологических явлений в различных квантовых системах, а также о недавних экспериментальных работах по их реализации и о перспективах на будущее. Заканчивается этот рассказ цитатой из статьи Холдейна 1988 года. В ней он, словно оправдываясь, говорит: «Хотя представленная здесь конкретная модель вряд ли физически реализуема, тем не менее ...». 25 лет спустя журнал Nature публикует , в которой сообщается об экспериментальной реализации модели Холдейна. Пожалуй, топологически нетривиальные явления в конденсированных средах - это одно из самых ярких подтверждений негласного девиза физики конденсированных сред: в подходящей системе мы воплотим любую самосогласованную теоретическую идею, какой бы экзотической она ни казалась.

Нобелевские лауреаты в области физики - реферат

ВВЕДЕНИЕ 2

1. НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ 4

Альфред Нобель 4

Жорес Алферов 5

Генрих Рудольф Герц 16

Петр Капица 18

Мария Кюри 28

Лев Ландау 32

Вильгельм Конрад Рентген 38

Альберт Энштейн 41

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 51

В науке нет откровения, нет постоянных догматов; всё в ней, напротив того, движется и совершенствуется.

А. И. Герцен

ВВЕДЕНИЕ

В наше время знание основ физики необходимо каждому., чтобы иметь правильное представление об окружающем мире – от свойств элементарных частиц до эволюции Вселенной. Тем же, кто решил связать свою будущую профессию с физикой, изучение этой науки поможет сделать первые шаги на пути к овладению профессией. Мы можем узнать, как даже абстрактные на первый взгляд физические исследования рождали новые области техники, давали толчок развитию промышленности и привели к тому, что принято называть НТР.
Успехи ядерной физики, теории твердого тела, электродинамики, статистической физики, квантовой механики определили облик техники конца ХХ века, такие ее направления, как лазерная техника, ядерная энергетика, электроника. Разве можно представить себе в наше время какие-нибудь области науки и техники без электронных вычислительных машин? Многим из нас после окончания школы доведется работать в одной из этих областей, и кем бы мы ни стали – квалифицированными рабочими, лаборантами, техниками, инженерами, врачами, космонавтами, биологами, археологами, - знание физики поможет нам лучше овладеть своей профессией.

Физические явления исследуются двумя способами: теоретически и эксперимен-тально. В первом случае (теоретическая физика) выводят новые соотношения, пользуясь математическим аппаратом и основываясь на известных ранее законах физики. Здесь главные инструменты – бумага и карандаш. Во втором случае (экспериментальная физика) получают новые связи между явлениями с помощью физических измерений. Здесь инструменты гораздо разнообразнее – многочисленные измерительные приборы, ускорители, пузырьковые камеры и т.п.

Какую из многочисленных областей физики предпочесть? Все они тесно связаны между собой. Нельзя быть хорошим экспериментатором или теоретиком в области, скажем, физики высоких энергий, не зная физики низких температур или физики твердого тела. Новые методы и соотношения, появившиеся в одной области, часто дают толчок в понимании другого, на первый взгляд далекого раздела физики. Так, теоретические методы, развитые в квантовой теории поля, произвели революцию в теории фазовых переходов, и наоборот, например, явление спонтанного нарушения симметрии, хорошо известное в классической физике, было заново «открыто» в теории элементарных частиц и совершенно изменен даже сам подход к этой теории. И разумеется, прежде чем окончательно выбрать какое-либо направление, нужно достаточно хорошо изучить все области физики. Кроме того, время от времени по разным причинам приходится переходить из одной области в другую. Особенно это относится к физикам – теоретикам, которые не связаны в своей работе с громоздкой аппаратурой.

Большинству физиков-теоретиков приходится работать в различных областях науки: атомная физика, космические лучи, теория металлов, атомное ядро, квантовая теория поля, астрофизика – все разделы физики интересны.
Сейчас наиболее принципиальные проблемы решаются в теории элементарных частиц и в квантовой теории поля. Но и в других областях физики есть много интересных нерешенных задач. И конечно, их очень много в прикладной физике.
Поэтому необходимо не только поближе познакомиться с различными разделами физики, но, главное, почувствовать их взаимосвязь.

Я не случайно выбрала тему «Нобелевские лауреаты», ведь, чтобы познавать новые области физики, чтобы понимать суть современных открытий, необходимо хорошо усвоить уже устоявшиеся истины. Мне было очень интересно в процессе моей работы над рефератом узнавать что-то новое не только о великих открытиях, но и о самих ученых, об их жизни, рабочем пути, судьбе. На самом деле это так интересно и увлекательно узнавать, как же произошли открытия. И я еще раз убедилась, что многие открытия происходят совершенно случайно, под час даже в процессе совсем иной работы. Но, не смотря на это, открытия не становятся менее интересными. Мне кажется, я вполне достигла своей цели – приоткрыть для себя некоторые тайны из области физики. И, как я думаю, изучение открытий через жизненный путь великих ученых, лауреатов Нобелевской премии, является оптимальным вариантом. Ведь всегда лучше усваиваешь материал, когда знаешь, какие цели перед собой ставил ученый, чего он хотел и чего же он, наконец, добился.

1. НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ

Альфред Нобель

АЛЬФРЕД НОБЕЛЬ, шведский химик-экспериментатор и бизнесмен, изобретатель динамита и других взрывчатых веществ, пожелавший основать благотворительный фонд для награждения премией своего имени, принесшего ему посмертную известность, отличался невероятной противоречивостью и парадоксальностью поведения. Современники считали, что он не соответствовал образу преуспевающего капиталиста эпохи бурного промышленного развития второй половины ХIХв. Нобель тяготел к уединению, покою, не мог терпеть городской суматохи, хотя большую часть жизни ему довелось прожить именно в городских условиях, да и путешествовал он тоже довольно часто. В отличие от многих современных ему воротил делового мира Нобеля можно назвать скорее
«спартанцем», так как он никогда не курил, не употреблял спиртного, избегал карт и других азартных игр.

На своей вилле в Сан-Ремо, возвышающейся над Средиземным морем, утопающей в апельсиновых деревьях, Нобель построил маленькую химическую лабораторию, где работал, как только позволяло время. Среди прочего он экспериментировал в области получения синтетического каучука и искусственного шелка. Нобель любил Сан-Ремо за его удивительный климат, но хранил также и теплые воспоминания о земле предков. В 1894г. он приобрел железоделательный завод в Вермланде, где одновременно выстроил поместье и обзавелся новой лабораторией. Два его последних летних сезона своей жизни он провел в Вермланде. Летом 1896г. скончался его брат Роберт. В это же время Нобеля начали мучить боли в сердце.

На консультации у специалистов в Париже он был предупрежден о развитии грудной жабы, связанной с недостаточным снабжением сердечной мышцы кислородом. Ему было рекомендовано отправится на отдых. Нобель вновь переехал в Сан-Ремо. Он постарался завершить неоконченные дела и оставил собственноручную запись предсмертного пожелания. После полуночи 10 декабря
1896г. от кровоизлияния в мозг он скончался. Кроме слуг-итальянцев, которые не понимали его, с Нобелем не оказалось никого из близких в момент ухода из жизни, и его последние слова остались неизвестными.

Истоки завещания Нобеля с формулировкой положения о присуждении наград за достижения в различных областях человеческой деятельности оставляют много неясностей. Документ в окончательном виде представляет собой одну из редакций прежних его завещаний. Его предсмертный дар для присуждения премий в области литературы и области науки и техники логически вытекает из интересов самого Нобеля, соприкасавшегося с указанными сторонами человеческой деятельности: физикой, физиологией, химией, литературой.
Имеются также основания предположить, что установление премий за миротворческую деятельность связано с желанием изобретателя отмечать людей, которые, подобно ему, стойко противостояли насилию. В 1886 году он, например, сказал своему английскому знакомому, что имеет «все более и более серьезное намерение увидеть мирные побеги красной розы в этом раскалывающемся мире».

Итак, изобретение динамита принесло Нобелю огромное состояние. 27 ноября 1895 года за год до смерти Нобель завещал свое состояние в 31 миллион долларов для поощрения научных исследований во всем мире и для поддержания наиболее талантливых ученых. Согласно завещанию Нобеля, шведская академия наук каждый год осенью называет имена лауреатов после внимательного рассмотрения предложенных крупными учеными и национальными академиями кандидатур и тщательной проверки их работ. Вручение премий происходит 10 декабря в день смерти Нобеля.

Жорес Алферов

Я не уверен даже, что в ХХI веке удастся освоить

«термояд» или, скажем, победить рак

Борис Стругацкий,

писатель

ЖОРЕС АЛФЕРОВ родился 15 марта 1930 года в Витебске. В 1952 году с отличием окончил Ленинградский электротехнический институт имени В. И.
Ульянова (Ленина) по специальности «электровакуумная техника».

В Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе АН СССР работал инженером, младшим, старшим научным сотрудником, заведующим сектором, заведующим отделом. В 1961 году защитил кандидатскую диссертацию по исследованию мощных германиевых и кремниевых выпрямителей В 1970 году защитил по результатам исследований гетеропереходов в полупроводниках диссертацию на соискание ученой степени доктора физико-математических наук.
В 1972 году был избран членом-корреспондентом, в 1979-м – действительным членом Академии наук СССР. С 1987 года – директор Физико-технического института АН СССР. Главный редактор журнала «Физика и техника полупроводников».

Ж. Алферов – автор фундаментальных работ в области физики полупроводников, полупроводниковых приборов, полупроводниковой и квантовой электроники. При его активном участии были созданы первые отечественные транзисторы и мощные германиевые выпрямители. Основоположник нового направления в физике полупроводников полупроводниковой электронике – полупроводниковые гетероструктуры и приборы на их основе. На счету ученого
50 изобретений, три монографии, более 350 научных статей в отечественных и международных журналах. Он – лауреат Ленинской (1972) и Государственной
(1984) премий СССР.

Франклиновский институт (США) присудил Ж. Алферову золотую медаль С.
Баллантайна, Европейское физическое общество удостоило его премии «Хьюлетт-
Паккард». Физику присуждены также премия имени А. П. Карпинского, золотая медаль Х. Велькера (ФРГ) и Международная премия Симпозиума по арсениду галлия.

С 1989 года Алферов – председатель президиума Ленинградского – Санкт-
Петербургского научного центра РАН. С 1990 года – вице-президент Академии наук СССР (РАН). Ж. Алферов – депутат Государственной Думы Российской
Федерации (фракция КПРФ), член комитета по образованию и науке.

Ж. Алферов разделил премию с двумя зарубежными коллегами – Гербертом
Кремером из Калифорнийского университета в Санта-Барбарее и Джеком С.Килби из фирмы Texas Instruments в Далласе. Ученые удостоены награды за открытие и разработку опто- и микроэлектронных элементов, на основе которых впоследствии разрабатывались детали современных электронных устройств. Эти элементы были созданы на базе так называемых полупроводниковых гетероструктур – многослойных компонентов быстродействующих диодов и транзисторов.

Один из «соратников» Ж. Алферова, американец немецкого происхождения
Г. Кремер, в далеком 1957 году разработал гетероструктурный транзистор.
Шестью годами позже он и Ж. Алферов независимо друг от друга предложили принципы, которые были положены в основу конструкции гетероструктурного лазера. В том же году Жорес Иванович запатентовал свой знаменитый оптический инжекционный квантовый генератор. Третий физик-лауреат – Джек
С.килби внес огромный вклад в создание интегральных схем.

Фундаментальные работы этих ученых сделали принципиально возможным создание волоконно-оптических коммуникаций, в том числе Интернета. Лазерные диоды, основанные на гетероструктурной технологии, можно обнаружить в проигрывателях CD-дисков, устройстве для прочтения штрих-кодов.
Быстродействующие транзисторы используются в спутниковой связи и мобильных телефонах.

Размер премии составляет 9млн. шведских крон (около девятисот тысяч долларов). Половину этой суммы получил Джек С.Килби, другую поделили Жорес
Алферов и Герберт Кремер.

Каковы же прогнозы нобелевского лауреата на будущее? Он убежден, что
ХХI век будет веком атомной энергетики. Углеводородные источники энергии исчерпаемы, атомная же энергия пределов не знает. Безопасная атомная энергитика, как говорит Алферов, возможна.

Квантовая физика, физика твердого тела – вот, по его мнению, основа прогресса.. Ученые научились укладывать атомы один к одному, в буквальном смысле строить новые материалы для уникальных приборов. Уже появились потрясающие лазеры на квантовых точках.

Чем полезно и опасно нобелевское открытие Алферова?

Исследования нашего ученого и его коллег-лауреатов из Германии и США являются крупным шагом на пути освоения нанотехнологии. Именно ей, по убеждению мировых авторитетов, будет принадлежать ХХI век. В нанотехнологию ежегодно инвестируются сотни миллионов долларов, исследованиями заняты десятки фирм.

Нанороботы – гипотетические механизмы размером в десятки нанометров
(это миллионные доли миллиметра), разработка которых начата не так давно.
Наноробот собирается не из привычных нам деталей и узлов, а из отдельных молекул и атомов. Как и обычные роботы, нанороботы смогут двигаться, производить различные операции, они будут управляться извне или встроенным компьютером.

Основные задачи нанороботов – собирать механизмы и создавать новые вещества. Такие устройства называются ассемблер (сборщик) или репликатор.
Венцом станут нанороботы, самостоятельно собирающие свои копии, то есть способные к размножению. Сырьем для размножения послужат самые дешевые, буквально валяющиеся под ногами материалы – опавшие листья или морская вода, из которых нанороботы будут выбирать нужные им молекулы, как лисица отыскивает себе пропитание в лесу.

Идея этого направления принадлежит нобелевскому лауреату Ричарду
Фейнману и была высказана в 1959 году. Уже появились приборы, способные оперировать с отдельным атомом, например, переставить его в другое место.
Созданы отдельные элементы нанороботов: механизм шарнирного типа на основе нескольких цепочек ДНК, способный сгибаться и разгибаться по химическому сигналу, образцы нанотранзисторов и электронных переключателей, состоящие из считанного числа атомов.

Нанороботы, введенные в организм человека, смогут очистить его от микробов или зарождающихся раковых клеток, кровеносную систему – от отложений холестерина. Они смогут исправить характеристики тканей и клеток.
Так же как молекулы ДНК при росте и размножении организмов складывают свои копии из простых молекул, нанороботы смогут создавать различные объекты и новые виды материи – как «мертвой», так и «живой». Трудно представить все возможности, которые откроются перед человечеством, если оно научится оперировать с атомами, как с винтами и гайками. Изготовление вечных деталей механизмов из атомов углерода, выстроенных в алмазную решетку, создание молекул, редко встречаю-щихся в природе, новых, сконструированных соединений, новых лекарств…

Но что если в устройстве, предназначенном для очистки промышленных отходов, произойдет сбой и оно начнет уничтожать полезные вещества биосферы? Самым неприятным окажется то, что нанороботы способны к самовоспроизводству. И тогда они окажутся принципиально новым оружием массового поражения. Нетрудно представить себе нанороботы, запрограммированные на изготовление уже известного оружия. Овладев секретом создания робота или каким-то образом достав его, даже террорист-одиночка сможет штамповать их в неимоверном количестве. К неприятным последствиям нанотехнологии относится создание устройств, селективно разрушительных, например, воздействующих на определенные этнические группы или географические районы.

Некоторые считают Алферова мечтателем. Что ж, он любит мечтать, но его мечты строго научны. Потому что Жорес Алферов – настоящий ученый. И нобелевский лауреат.

В 2000 году лауреатами Нобелевской премии по химии стали американцы
Алан Хигер (Калифорнийский университет в Санта – Барбаре) и Алан
Макдайармид (Пенсильванский университет), а также японский ученый Хидэки
Сиракава (Университет Цукубы). Они удостоились высшей научной награды за открытие электропроводимости пластмасс и разработку электропроводящих полимеров, получивших широкое применение в производстве фотопленки, компьютерных мониторов, телеэкранов, отражающих свет окон и прочих высокотехнологичных продуктов.

Из всех теоретических троп, тропа Бора была самой значительной.

П. Капица

НИЛЬС БОР (1885-1962) - крупнейший физик современности, создатель первоначальной квантовой теории атома, личность поистине своеобразная и неотразимая. Он не только стремился познать законы природы, расширяя пределы человеческого познания, не только чувствовал пути развития физики, но и старался всеми доступными ему средствами заставить науку служить миру и прогрессу. Личные качества этого человека - глубокий ум, величайшая скромность, честность, справедливость, доброта, дар предвидения, исключительное упорство в поисках истины и ее отстаивании - не менее притягательны, чем его научная и общественная деятельность.

Эти качества сделали его лучшим учеником и соратником Резерфорда, уважаемым и незаменимым оппонентом Эйнштейна, противником Черчилля и смертельным врагом немецкого фашизма. Благодаря этим качествам, он стал учителем и наставником большого числа выдающихся физиков.

Яркая биография, история гениальных открытий, полная драматизма борьба против нацизма, борьба за мир и мирное использование атомной энергии - все это привлекало и будет привлекать внимание к великому ученому и прекраснейшему человеку.

Н. Бор родился 7 октября 1885 г. Он был вторым ребенком в семье профессора физиологии Копенгагенского университета Христиана Бора.

Семи лет Нильс пошел в школу. Учился он легко, был любознательным, трудолюбивым и вдумчивым учеником, талантливым в области физики и математики. Не ладилось только у него с сочинениями по родному языку: они были у него слишком короткими.

Бор с детства любил что-нибудь конструировать, собирать и разбирать.
Его всегда интересовала работа больших башенных часов; он готов был подолгу наблюдать за работой их колес и шестерен. Дома Нильс чинил все, что нуждалось в ремонте. Но прежде чем разобрать что-либо, тщательно изучал функции всех частей.

В 1903 г. Нильс поступил в Копенгагенский университет, годом позже туда поступил и его брат Харальд. Вскоре за братьями укрепилась репутация очень способных студентов.

В 1905 г. Датская академия наук объявила конкурс на тему:
«Использование вибрации струи для определения поверхностного натяжения жидкостей». Работа, рассчитанная на полтора года, была очень сложной и требовала хорошего лабораторного оборудования. Нильс принял участие в конкурсе. В результате напряженной работы была одержана первая победа: он стал обладателем золотой медали. В 1907 г. Бор закончил университет, а в
1909 г. его работа «Определение поверхностного натяжения воды методом колебания струи» была напечатана в трудах Лондонского Королевского общества.

В этот период Н. Бор начал готовиться к сдаче магистерского экзамена.
Свою магистерскую диссертацию он решил посвятить физическим свойствам металлов. На основе электронной теории он анализирует электро- и теплопроводность металлов, их магнитные и термоэлектрические свойства. В середине лета 1909 г. магистерская диссертация в 50 страниц рукописного текста готова. Но Бор не очень ею доволен: в электронной теории он обнаружил слабые места. Однако защита прошла успешно, и Бор получил степень магистра.

После короткого отдыха Бор вновь берется за работу, решив написать докторскую диссертацию по анализу электронной теории металлов. В мае 1911 г. он успешно ее защищает и в этом же году едет на годичную стажировку в
Кембридж к Дж. Томсону. Так как в электронной теории у Бора возник ряд неясных вопросов, то он решил свою диссертацию перевести на английский язык, чтобы Томсон мог ее прочитать. «Меня очень волнует мнение Томсона о работе в целом, а также его отношение к моей критике»,- писал Бор.

Знаменитый английский физик любезно принял молодого стажера из Дании.
Он предложил Бору заняться положительными лучами, и тот принялся за сборку экспериментальной установки. Установка вскоре была собрана, но дело дальше не пошло. И Нильс решает оставить данную работу и заняться подготовкой к изданию своей докторской диссертации.

Однако Томсон не спешил прочитать диссертацию Бора. Не только потому, что вообще не любил читать и был страшно занят. Но и потому, что, будучи ревностным приверженцем классической физики, почувствовал в молодом Боре
«инакомыслящего». Докторская диссертация Бора так и осталась ненапечатанной.

Трудно сказать, чем бы все это кончилось для Бора и какой оказалась бы его дальнейшая судьба, не будь рядом молодого, но уже ставшего лауреатом
Нобелевской премии профессора Эрнеста Резерфорда, которого Бор увидел впервые в октябре 1911 г. на ежегодном Кавендишском обеде. «Хотя в этот раз мне не удалось познакомиться с Резерфордом, на меня произвели глубокое впечатление его обаяние и энергия - качества, с помощью которых ему удавалось достичь почти невероятных вещей, где бы он ни работал»,- вспоминал Бор. Он принимает решение работать вместе с этим удивительным человеком, обладающим почти сверхъестественной способностью безошибочно проникать в суть научных проблем. В ноябре 1911 г. Бор побывал в
Манчестере, встретился с Резерфордом, побеседовал с ним. Резерфорд согласился принять Бора в свою лабораторию, но вопрос необходимо было отрегулировать с Томсоном. Томсон без колебаний дал свое согласие. Он не мог понять физических воззрений Бора, но, видимо, и не хотел ему мешать.
Это было, несомненно, мудро и дальновидно,со стороны знаменитого
«классика».

В апреле 1912 г. Н. Бор приехал в Манчестер, в лабораторию Резерфорда.
Свою главную задачу он видел в разрешении противоречий планетарной модели атома Резерфорда. Своими мыслями он охотно делился с учителем, который советовал ему более осторожно производить теоретическое построение на таком фундаменте, каким он считал свою атомную модель. Близилось время отъезда, а Бор работал все с большим энтузиазмом. Он понял, что разрешить противоречия атомной модели Резерфорда в рамках чисто классической физики не удастся. И он решил применить к планетарной модели атома квантовые представления Планка и Эйнштейна. Первая часть работы вместе с письмом, в котором Бор спрашивал Резерфорда, как ему удалось одновременно использовать классическую механику и квантовую теорию излучения, была отправлена в
Манчестер 6 марта с просьбой ее опубликования в журнале. Суть теории Бора была выражена в трех постулатах:

1. Существуют некоторые стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает и не поглощает энергии. Этим стационарным состояниям соответствуют вполне определенные (стационарные) орбиты.

2. Орбита является стационарной, если момент количества движения электрона (L=m v r) кратен Ь/2(= h. т. е. L=m v r = n h, где n=1. 2, 3, ...
- целые числа.

3. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один квант энергии hvnm==Wn-Wm, где Wn, Wm - энергия атома в двух стационарных состояниях, h - постоянная Планка, vnm - частота излучения.При Wп>Wт происходит излучение кванта, при Wn