Η Τοπολογία και η Κβαντική Φυσική ως εργαλεία ερμηνείας των μυστηρίων της Ύλης
Το Nobel Φυσικής 2016 πιστεύω ότι θα δώσει ένα τέλος στις αμφισβητήσεις για το ρόλο της Τοπολογίας (Μαθηματικά) και της Κβαντικής Φυσικής (Φυσική) στην πειραματική έκφραση της Νέας Επιστημονικής συγκρότησης
Για μια γενικότερη ενημέρωση στο περιεχόμενο της «Τοπολογίας», της «Κβαντικής Φυσικής» και της «Φυσικής του Κενού» μπορείτε να ανατρέξετε στις επόμενες σελίδες του ιστολογίου μας.
Στο επόμενο κείμενο γίνεται μια προσπάθεια κατανόησης του επιστημονικού περιεχομένου του Nobel Φυσικής 2016
Νόμπελ Φυσικής 2016
στα εξωτικά φαινόμενα της επιπεδοχώρας
(https://physicsgg.me/2016/10/04/%CE%B2%CF%81%CE%B1%CE%B2%CE%B5%CE%AF%CE%BF-%CE%BD%CF%8C%CE%BC%CF%80%CE%B5%CE%BB-%CF%86%CF%85%CF%83%CE%B9%CE%BA%CE%AE%CF%82-2016/)
Το βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2016 απονεμήθηκε κατά το ένα ήμισυ στον David J. Thouless, από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σιάτλ, και το άλλο ήμισυ στους F. Duncan Haldane Μ, από το Πανεπιστήμιο του Πρίνστον στην Καλιφόρνια και J. Michael Kosterlitz, από το Πανεπιστήμιο Μπράουν στο Ρόουντ Άιλαντ,
για τις ανακαλύψεις τους όσον αφορά την θεωρητική κατανόηση των μυστηρίων της ύλης και δημιουργίας νέων προοπτικών στην ανάπτυξη καινοτόμων υλικών.
για τις ανακαλύψεις τους όσον αφορά την θεωρητική κατανόηση των μυστηρίων της ύλης και δημιουργίας νέων προοπτικών στην ανάπτυξη καινοτόμων υλικών.
Οι David Thouless, Duncan Haldane, και Michael Kosterlitz έχουν χρησιμοποιήσει προηγμένες μαθηματικές μεθόδους για να εξηγήσουν παράξενα φαινόμενα στις σπάνιες φάσεις (ή καταστάσεις) της ύλης, όπως των υπεραγωγών, των υπερρευστών ή των λεπτών μαγνητικών ταινιών. ΟιKosterlitz και Thouless μελέτησαν φαινόμενα που συμβαίνουν σε έναν επίπεδο κόσμο – σε επιφάνειες ή στο εσωτερικό εξαιρετικά λεπτών στρωμάτων που μπορούν να θεωρηθούν δισδιάστατα, συγκρινόμενα με τις τρεις διαστάσεις (μήκος, πλάτος και ύψος) με τα οποία συνήθως περιγράφουμε πραγματικότητα. Ο Haldane έχει μελετήσει επίσης την ύλη που σχηματίζει καταστάσεις τόσο λεπτές που μπορούν να θεωρηθούν μονοδιάστατες.
Η φυσική που διαδραματίζεται στην επιπεδοχώρα είναι πολύ διαφορετική σε σχέση μ’ αυτή που γνωρίζουμε στον τρισδιάστατο κόσμο που μας περιβάλλει.
Παρά το γεγονός ότι η πολύ αραιά κατανεμημένη ύλη συνίσταται από εκατομμύρια άτομα και η συμπεριφορά του κάθε ατόμου μπορεί να εξηγηθείχρησιμοποιώντας την κβαντική φυσική, τα άτομα ως σύνολο εμφανίζουν εντελώς διαφορετικές ιδιότητες. Νέα συλλογικά φαινόμενα ανακαλύπτονται συνεχώς σε αυτές τις δισδιάστατες επιφάνειες, και η φυσική της συμπυκνωμένης ύλης είναι σήμερα ένα από τα πιο υποσχόμενα πεδία στη φυσική.
Οι τρεις βραβευθέντες έκαναν τις καθοριστικές ανακαλύψεις τουςχρησιμοποιώντας τοπολογικές έννοιες στη φυσική. Με τη σύγχρονη τοπολογία ως εργαλείο, το φετινοί νομπελίστες παρουσίασαν εκπληκτικά αποτελέσματα, τα οποία άνοιξαν νέα πεδία έρευνας και οδήγησαν στη δημιουργία νέων και σημαντικών εννοιών σε διαφόρους τομείς της φυσικής.
Η κβαντική φυσική γίνεται ορατή στις χαμηλές θερμοκρασίες
Κατά βάθος, όλη η ύλη διέπεται από τους νόμους της κβαντικής φυσικής. Τα αέρια, τα υγρά και τα στερεά είναι οι γνωστές φάσεις της ύλης, όπου τα κβαντικά φαινόμενα είναι συνήθως κρυμμένα πίσω από τυχαίες ατομικές κινήσεις. Αλλά σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273 βαθμοί Κελσίου) η ύλη αποκαλύπτει νέες φάσεις και συμπεριφέρεται με μη-αναμενόμενους τρόπους. Η κβαντική φυσική, η οποία ως γνωστόν λειτουργεί μόνο στον μικρόκοσμο, ξαφνικά γίνεται ορατή στον μακρόκοσμο
Οι συνηθισμένες μετατροπές φάσεων της ύλης συμβαίνουν όταν η θερμοκρασία μεταβάλλεται. Για παράδειγμα, μία τέτοια μετατροπή φάσης συμβαίνει όταν ο πάγος, ο οποίος αποτελείται από «όμορφα τακτοποιημένους» κρυστάλλους, θερμαίνεται και λιώνει προς υγρό νερό, μια πιο χαοτική φάση της ύλης. Όταν παρατηρούμε τα λιγότερο γνωστά δισδιάστατα υλικά, ανακαλύπτουμε φάσεις της ύλης που δεν έχουν ακόμη διερευνηθεί πλήρως.
Περίεργα πράγματα συμβαίνουν στις χαμηλές θερμοκρασίες. Για παράδειγμα, η αντίσταση που συνήθως αντιμετωπίζουν όλα τα κινούμενα σωματίδια, ξαφνικά παύει να υπάρχει. Αυτό συμβαίνει όταν το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει χωρίς καμία αντίσταση σε ένα υπεραγωγό, ή όταν ένας στρόβιλος σε ένα υπερρευστό περιστρέφεται για πάντα χωρίς να επιβραδύνεται.
Ο Ρώσος Pyotr Kapitsa, στη δεκαετία του 1930, ήταν ο πρώτος που μελέτησε συστηματικά τα υπερρευστά. Ψύχοντας ήλιο-4, στους -271 βαθμούς Κελσίου, το έκανε να ρέει ανεβαίνοντας έξω από τα τοιχώματα του δοχείου που το περιείχε. Με άλλα λόγια, συμπεριφερόταν τόσο παράξενα, όπως ένα υπερρευστό, όπου το ιξώδες έχει εξαφανιστεί εντελώς. Ο Kapitsa βραβεύτηκε με Νόμπελ Φυσικής το 1978, και από τότε έχουν δημιουργηθεί διάφοροι τύποι υπερρευστών στο εργαστήριο. Το υπερρευστό ήλιο, λεπτά υμένια υπεραγωγών, λεπτά στρώματα μαγνητικών υλικών και ηλεκτρικά αγώγιμα νανονήματα είναι μερικές από τις νέες φάσεις της ύλης, που πλέον έχουν μελετηθεί εξαντλητικά.
Ζεύγη δινών αποκαλύπτουν την λύση
Οι ερευνητές πίστευαν για αρκετό καιρό ότι οι θερμικές διακυμάνσεις καταστρέφουν την τάξη στην ύλη ενός επίπεδου, δισδιάστατου κόσμου, ακόμα και στο απόλυτο μηδέν. Αλλά στις αρχές της δεκαετίας του 1970, οι David Thouless και Michael Kosterlitz συναντήθηκαν στο Μπέρμιγχαμ, στη Μεγάλη Βρετανία, και αμφισβήτησαν την μέχρι τότε θεωρία. Μαζί, καταπιάστηκαν με το πρόβλημα των μετατροπών φάσης στους δισδιάστατους κόσμους. Αυτή η συνεργασία οδήγησε σε μια εντελώς νέα κατανόηση των μετατροπών φάσης, η οποία θεωρείται ως μία από τις πιο σημαντικές ανακαλύψεις του εικοστού αιώνα στη θεωρία της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης. Ονομάζεται μετατροπή ΚΤ (μετατροπή Kosterlitz-Thouless) ή μετατροπή BKT, όπου το Β προέρχεται από τον Vadim Berezinskii(1935–1980), ενός θεωρητικού φυσικού από τη Μόσχα που είχε παρουσιάσει παρόμοιες ιδέες.
Η τοπολογική μετατροπή φάσης δεν είναι μια συνηθισμένη μετατροπή φάσης, όπως αυτή μεταξύ πάγου και νερού. Τον κυρίαρχο ρόλο σε μια τοπολογική μετατροπή σε ένα επίπεδο υλικό παίζουν οι μικρές δίνες. Σε χαμηλές θερμοκρασίες σχηματίζουν συνδεδεμένα ζεύγη. Καθώς η θερμοκρασία ανεβαίνει, πραγματοποιείται μια μετάβαση φάσης: οι δίνες ξαφνικά κινούνται μακριά η μια από την άλλη και μόνες τους μέσα στο υλικό
Το πιο εκπληκτικό σ’ αυτή τη θεωρία είναι ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διαφορετικούς τύπους υλικών σε χαμηλές διαστάσεις – η μετατροπή KT είναι καθολική. Έχει γίνει ένα χρήσιμο εργαλείο, που δεν εφαρμόζεται μόνο στον κόσμο της συμπυκνωμένης ύλης, αλλά και σε άλλους τομείς της φυσικής, όπως η ατομική φυσική ή η στατιστική μηχανική. Η θεωρία πίσω από τη μετατροπή ΚΤ επιβεβαιώθηκε πειραματικά.
Τα μυστηριώδη κβαντικά άλματα
Οι πειραματικές εξελίξεις τελικά επέφεραν μια σειρά από νέες καταστάσεις της ύλης που απαιτούσαν ερμηνεία. Στη δεκαετία του 1980, οι David Thouless καιDuncan Haldane παρουσίασαν μια πρωτοποριακή νέα θεωρητική εργασία που αμφισβήτησε τις προηγούμενες θεωρίες, μια εκ των οποίων ήταν κβαντομηχανική θεωρία για την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Η εν λόγω θεωρία αρχικά διατυπώθηκε στη δεκαετία του 1930 και μερικές δεκαετίες αργότερα, αυτή η περιοχή της φυσικής θεωρήθηκε πως έχει κατανοηθεί πλήρως.
Ως εκ τούτου, ήταν μεγάλη η έκπληξη όταν το 1983, ο David Thoulessαπέδειξε ότι η προηγούμενη εικόνα ήταν ελλιπής, και στις χαμηλές θερμοκρασίες και σε ισχυρά μαγνητικά πεδία, και ότι μια νέα θεωρία ήταν αναγκαία, στην οποία οι τοπολογικές έννοιες ήταν ζωτικής σημασίας. Την ίδια περίπου εποχή, ο Duncan Haldane έφτασε επίσης σε ένα παρόμοιο, και επίσης απροσδόκητο συμπέρασμα, καθώς μελετούσε μαγνητικές αλυσίδες ατόμων. Η εργασία τους υπήρξε καθοριστική για τις μετέπειτα δραματικές εξελίξεις στη θεωρία των νέων φάσεων της ύλης.
Το μυστηριώδες φαινόμενο που ο David Thouless περιέγραφε θεωρητικά, χρησιμοποιώντας τοπολογία, είναι το κβαντικό φαινόμενο Hall. Αυτό ανακαλύφθηκε το 1980 από τον Γερμανό φυσικό Klaus von Klitzing, ο οποίος βραβεύτηκε με το βραβείο Νόμπελ το 1985.
Μελέτησε ένα λεπτό αγώγιμο στρώμα ανάμεσα σε δύο ημιαγωγούς, όπου τα ηλεκτρόνια ψύχονται σε λίγους βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν και υποβάλλονται σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο.
Στη φυσική, δεν είναι ασυνήθιστο να συμβαίνουν δραστικά γεγονότα καθώς η θερμοκρασία μειώνεται. Για παράδειγμα, πολλά υλικά αποκτούν μαγνητικές ιδιότητες. Αυτό συμβαίνει διότι όλοι οι μικροί ατομικοί μαγνήτες στο υλικό προσανατολίζονται ξαφνικά προς την ίδια κατεύθυνση, προκαλώντας ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, το οποίο μπορεί να μετρηθεί.
Ωστόσο, το κβαντικό φαινόμενο Hall είναι πιο δύσκολο να κατανοηθεί. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα στο λεπτό υλικό στρώμα φαίνεται ότι μπορεί να πάρει μόνο συγκεκριμένες τιμές, οι οποίες είναι μάλιστα και εξαιρετικά ακριβείς, κάτι που είναι ασυνήθιστο στη φυσική. Οι μετρήσεις δίνουν ακριβώς τα ίδια αποτελέσματα, ακόμη και αν η θερμοκρασία, το μαγνητικό πεδίο ή η ποσότητα των προσμίξεων στον ημιαγωγό μεταβάλλονται. Όταν το μαγνητικό πεδίο μεταβληθεί αρκετά, η αγωγιμότητα του στρώματος μεταβάλλεται επίσης, αλλά μόνο με βήματα. Μειώνοντας την ένταση του μαγνητικού πεδίου η ηλεκτρική αγωγιμότητα αρχικά γίνεται ακριβώς διπλάσια, στη συνέχεια τριπλάσια, τετραπλάσια, και ούτω καθεξής. Αυτά τα ακέραια βήματα δεν θα μπορούσαν να εξηγηθούν από την φυσική που ήταν γνωστή εκείνη την εποχή, αλλά οDavid Thouless βρήκε τη λύση σ’ αυτό το αίνιγμα με χρησιμοποιώντας την τοπολογία.
H απάντηση διαμέσου της τοπολογίας
Η τοπολογία περιγράφει τις ιδιότητες που παραμένουν αναλλοίωτες όταν ένα αντικείμενο τεντώνεται, στρίβεται ή παραμορφώνεται, χωρίς όμως να σκίζεται-κόβεται. Τοπολογικά, μια σφαίρα και ένα μπολ ανήκουν στην ίδια κατηγορία, διότι μια σφαίρα από πηλό μπορεί να μετατραπεί σε μπολ. Ωστόσο, ένα ντόνατ με μια τρύπα στη μέση και ένα φλιτζάνι καφέ με μια τρύπα στη λαβή ανήκουν σε άλλη κατηγορία. Μπορούν επίσης να αναδιαμορφωθούν έτσι ώστε το ένα να μετατραπεί στο σχήμα του άλλου. Έτσι, τα τοπολογικά αντικείμενα μπορούν να περιέχουν μια τρύπα, ή δύο, ή τρεις, ή τέσσερις … αλλά αυτός ο αριθμός πρέπει να είναι προφανώς ένας ακέραιος. Αυτό αποδείχθηκε χρήσιμο στην περιγραφή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του κβαντικού φαινομένου Hall, το οποίο αλλάζει μόνο κατά βήματα που είναι ακριβώς πολλαπλάσια ενός ακεραίου
Στο κβαντικό φαινόμενο Hall, τα ηλεκτρόνια κινούνται σχετικά ελεύθερα στο στρώμα μεταξύ των ημιαγωγών και σχηματίζουν αυτό που ονομάζεταιτοπολογικό κβαντικό ρευστό. Με τον ίδιο τρόπο καθώς νέες ιδιότητες εμφανίζονται συχνά όταν πολλά σωματίδια βρίσκονται μαζί, τα ηλεκτρόνια στο τοπολογικό κβαντικό υγρό εμφανίζουν επίσης εκπληκτικά χαρακτηριστικά.
manosdanezis
Ευχαριστούμε πολύ για την επίσκεψη! thiva post
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου
Ευχαριστούμε πολύ για την επίσκεψη!
Τα μόνα σχόλια που σβήνω είναι οι ύβρεις.