Nobelova cena za fyziku nebola tento rok rozdelená rovnomerne, ale na dve polovice. Prvú získal David J. Thouless a druhú až dvaja laureáti – F. Duncane M. Haldane a J. Michael Kosterlitz. Všetci traja pôsobia na významných amerických univerzitách.

Cena bola odovzdaná za „teoretické objavy topologických fázových prechodov a topologických fáz hmoty“. David J. Thouless získal väčšiu časť Nobelovej ceny, keďže jeho výsledky boli kľúčové pre obe oblasti – fázové prechody, aj fázy hmoty.

Tohtoroční laureáti pritom vo svojom výskume použili špecifické odvetvie matematiky, ktoré nazývame topológia. Táto oblasť podľa tlačovej správy švédskej Kráľovskej akadémie vied opisuje vlastnosti, ktoré sa menia postupne – krok za krokom.

Aj hmota podlieha zákonom

Hmota vo svete okolo nás existuje v určitých skupenstvách. Plyny, tekutiny a pevné látky sú pritom najbežnejšími formami, aké poznáme. Predstaviť si ich vieme celkom jednoducho. Sedíme na pevnom nábytku, vdychujeme vzduch a pijeme tekutiny.

Tieto skupenstvá sa pritom u jednej a tej istej hmoty môžu meniť, napríklad vplyvom teploty. Voda môže zmrznúť v ľad a ten sa môže naopak roztopiť. To nazývame fázovými prechodmi.

Hmota ale môže dosahovať aj iné, zriedkavejšie formy, ktorým hovoríme exotické. K tým dochádza predovšetkým vplyvom extrémne vysokých, alebo nízkych teplôt, kedy sa správanie hmoty mení neočakávaným spôsobom.

The most common phases of matter are gas, liquid & solid. In extremely high or low temperatures matter assumes more exotic states pic.twitter.com/ZpwAuDfeYT

— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 4, 2016

Bežnými skupenstvami sú tuhé, kvapalné a plynné látky. Pri extrémnych teplotách však dochádza k nezvyčajným, exotickým fázam. 

Treba si pritom uvedomiť, že hlboko vnútri je hmota riadená zákonmi kvantovej fyziky. Zatiaľ čo pri bežných formách, ako sú plyny, tekutiny a pevné látky, sú tieto zákony zakryté náhodným pohybom atómov, v exotických stavoch sa pre vedcov náhle stali viditeľnými.

S nulovým odporom

Keď sa vedci prizreli plochým, dvojrozmerným materiálom, zistili, že existujú fázy, o ktorých ešte veľa nevieme. Či už ide o supervodivosť – schopnosť elektrónov preletieť hmotou bez akéhokoľvek odporu, alebo supertekutiny, ktoré sa donekonečna točia bez toho, aby spomalili.

Celý ocenený proces sa pritom začal už v 30. rokoch, kedy ruský vedec Pyotr Kapitsa začal systematicky študovať supertekutiny. Kapitsa bol v roku 1978 ocenený Nobelovou cenou za fyziku a od jeho pokusov s héliom schladeným na -271 stupňov bolo v laboratóriách po celom svete vyvinutých viacero supertekutín.

História dnešného ocenenia pokračovala medzníkom v 70. rokoch, kedy David Thouless a Michael Kosterlitz dokázali, že supervodivosť môže prebiehať aj v dvojrozmerných vrstvách materiálov.

Vedci totiž dlho verili, že teplotné výkyvy v dvojrozmerných materiáloch znemožňujú akékoľvek usporiadané fázy, a tým aj fázové prechody. Thouless a Kosterlitz vniesli do sveta fyziky kondenzovaných látok úplne nové poznatky o fázových prechodoch. Topologický fázový prechod v plochých materiáloch bol po nich dokonca pomenovaný.

Phase transition occurs when phases of matter transition between each other, such as when ice melts and becomes water #NobelPrize pic.twitter.com/zpC20Ipgwo

— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 4, 2016

Hlavnú úlohu v topologických fázových prechodoch v plochých materiáloch zohrávajú miniatúrne víry v hmote. Zatiaľ čo v extrémne chladnom materiáli sa víry držia v pároch, pri zvýšení teploty sa náhle oddelia a fungujú samostatne.

Tretí ocenený, F. Duncan M. Haldane, v tomto smere navyše študoval materiály tak tenké, že by sme ich mohli považovať za jednorozmerné.

Čo je exotické dnes, nemusí byť zajtra

„Exotická nie je presný vedecký termín,“ odpovedal v exkluzívnom rozhovore na Facebooku člen Nobelovej komisie pre fyziku Thors Hans Hansson na otázku, prečo sa dané fázy nazývajú exotickými. Pojem „exotické“ podľa neho vyjadruje náš úžas nad niečím, čo je skutočne nezvyčajné a často aj ťažko pochopiteľné.

„Čo je pre nás exotické dnes, nemusí byť za tridsať rokov,“ upozornil Thors H. Hansson. Podobne, ako bola elektrina vzrušujúca najmä v čase jej vynájdenia a rozvoja, môže mať aj exotickosť oceneného objavu svoj časový limit.

Pokročilé matematické metódy vo fyzikálnom výskume laureátov však priniesli neočakávané výsledky, ktoré otvorili nové pole výskumu.

„Táto práca inšpirovala množstvo aktivít v laboratóriách po celom svete,“ uviedol počas vyhlásenia Thors Hans Hansson. Dodal pritom, že vedci z celého sveta dúfajú, že sa im tieto teoretické poznatky v budúcnosti podarí využiť v praxi. Konkrétne by to mohlo byť vo vývoji nových, revolučných technológií, akými sú napríklad kvantové počítače.
------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nobelove ceny budú laureátom slávnostne odovzdané v deň výročia úmrtia Alfreda Nobela 10. decembra v Štokholme.

Zajtra okolo 11.45 hod. bude slávnostne vyhlásená Nobelova cena za fyziku. Priamy prenos z podujatia si môžete pozrieť tu.