Γιατί διαψεύστηκαν οι προβλέψεις των ΜΜΕ αλλά και της διεθνούς επιστημονικής κοινότητας, που θεωρούσαν σχεδόν βέβαιο ότι το Νόμπελ Φυσικής για το 2016 θα το κέρδιζε η έρευνα των βαρυτικών κυμάτων μέσω των γιγάντιων ανιχνευτών LIGO; Μήπως πρόκειται για ακόμα μια σκοτεινή, διεθνή συνωμοσία εις βάρος της επιστημονικής αριστείας;
Δυστυχώς, για όσους αρέσκονται σε αδιαφανή συνωμοσιολογικά σενάρια, υπάρχει μία πολύ πιο απλή και νομότυπη εξήγηση: τα αποτελέσματα της έρευνας του εντοπισμού των βαρυτικών κυμάτων ανακοινώθηκαν επίσημα στις 11 Φεβρουαρίου 2016, ενώ οι υποψηφιότητες που γίνονται αποδεκτές για να εξεταστούν από την ειδική επιτροπή των Νόμπελ οφείλουν να έχουν δημοσιευτεί μέχρι τις 31 Ιανουαρίου!
Οσοι λοιπόν απογοητεύτηκαν με τη φετινή επιλογή, πρέπει να ξέρουν ότι υπάρχουν μεγάλες πιθανότητες οι ερευνητές των βαρυτικών κυμάτων να κερδίσουν το επόμενο Νόμπελ, αν βέβαια δεν υπάρξουν άλλες πιο εντυπωσιακές υποψηφιότητες.
Παρ’ όλα αυτά, θα ήταν λάθος να υποτιμηθεί η μεγάλη επιστημονική προσφορά των ερευνητών που τιμήθηκαν φέτος με το Νόμπελ Φυσικής. Σήμερα, θα εξετάσουμε αναλυτικά τι πέτυχαν αυτοί οι ερευνητές για να κριθούν άξιοι για το βραβείο Νόμπελ.
Οι Ντέιβιντ Θάουλες, Φ. Ντάνκαν Χόλντεϊν και Τζ. Μάικλ Κόστερλιτς, οι οποίοι κέρδισαν επάξια το φετινό βραβείο Νόμπελ Φυσικής, καταφεύγοντας στην τοπολογία κατάφεραν να κάνουν ορατές τις μικροσκοπικές κβαντικές διεργασίες που επιτρέπουν ή, ακριβέστερα, επιβάλλουν την ανάδυση των πιο παράξενων συλλογικών συμπεριφορών της ύλης, όταν αυτή βρίσκεται σε ακραίες συνθήκες
Kάθε χρόνο, πριν από την επίσημη ανακοίνωση των βραβείων Νόμπελ, στους επιστημονικούς ιστότοπους, στις εφημερίδες και στα ειδικά περιοδικά διάφοροι «ειδικοί» κάνουν προβλέψεις και στοιχηματίζουν για το ποιες συγκεκριμένες έρευνες θα κερδίσουν το βραβείο.
Ειδικότερα, για το φετινό Νόμπελ Φυσικής οι πιο πιθανοί διεκδικητές θεωρούνταν: οι Celso Grebogi, Edward Ott, James A. Yorke με τη μέθοδο OGY για τον έλεγχο των χαοτικών συστημάτων, οι μελέτες του Marwin L. Cohen για τη νέα μέθοδο πρόβλεψης των ιδιοτήτων των στερεών υλικών.
Ωστόσο πρώτοι στις προβλέψεις για την απονομή του Νόμπελ έρχονταν οι R. W. P. Drever, K. S. Thorne και R. Weiss, οι οποίοι σχεδίασαν επιτυχώς το πείραμα με τους δύο μεγάλους ανιχνευτές LIGO για την παρατήρηση των αόρατων βαρυτικών κυμάτων, τα οποία, ενώ προβλέπονταν από τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, δεν είχαν ποτέ ανιχνευτεί.
Τελικά, η επιτροπή της Σουηδικής Βασιλικής Ακαδημίας Επιστημών επέλεξε διαφορετικά και αποφάσισε να απονείμει το Νόμπελ σε τρεις σπουδαίους Βρετανούς θεωρητικούς φυσικούς που εδώ και δεκαετίες εργάζονται στις ΗΠΑ εξερευνώντας την ανεξήγητη, μέχρι πρόσφατα, συμπεριφορά της ύλης, όταν αυτή βρίσκεται στις πιο ακραίες και παράξενες «καταστάσεις» ή «φάσεις» της. Τι ακριβώς πέτυχαν αυτοί οι ερευνητές και κυρίως πώς κατάφεραν να εξηγήσουν τέτοια αινιγματικά φαινόμενα;
Το μυστικό της επιτυχίας
Το φετινό Νόμπελ Φυσικής -περίπου 900 χιλιάδες ευρώ- μοιράστηκε κατά το ένα ήμισυ στον Ντέιβιντ Θάουλες από το Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον στο Σιάτλ και στον Φ. Ντάνκαν Χόλντεϊν από το Πανεπιστήμιο του Πρίνστον στην Καλιφόρνια και τον Τζ. Μάικλ Κόστερλιτς από το Πανεπιστήμιο Μπράουν στο Ρόουντ Αϊλαντ.
«Για τις θεωρητικές ανακαλύψεις των τοπολογικών μετατροπών φάσης και των τοπολογικών φάσεων της ύλης», σύμφωνα με την επίσημη ανακοίνωση του γραμματέα της Σουηδικής Βασιλικής Ακαδημίας Επιστημών στη Στοκχόλμη.
Παρά τον επιβεβλημένο ενθουσιασμό, η αναπαραγωγή αυτής της σκοτεινής πρότασης από τα ΜΜΕ θα πρέπει να δημιούργησε μεγάλη αμηχανία στους περισσότερους «κοινούς θνητούς», δηλαδή στους μη ειδικούς αναγνώστες-θεατές της είδησης, οι οποίοι θα πρέπει να ένιωσαν ότι ακούνε «κινέζικα» στη γλώσσα τους.
Και η κατάσταση επιδεινώθηκε τις επόμενες ημέρες, με τους παραπλανητικούς τίτλους στα πρωτοσέλιδα των εφημερίδων, τα οποία μιλούσαν για τη μεγάλη ανακάλυψη των μυστικών της... «εξωτικής ύλης»! Ομως, όπως θα δούμε, δεν πρόκειται διόλου για «εξωτική» ύλη, αλλά για την εξήγηση κάποιων ακραίων –αλλά απολύτως φυσικών- φαινομένων.
Οι πρωτοποριακές έρευνες αυτών των φαινομένων ξεκίνησαν κατά τη δεκαετία του 1980 για να εξηγηθούν οι περίπλοκες και αντιδιαισθητικές συμπεριφορές της ύλης όταν βρεθεί σε ακραίες φυσικές καταστάσεις, π.χ. υπεραγωγιμότητα, υπερρευστότητα ή λεπτών μαγνητικών ταινιών. Για να περιγράψουν αυτά τα παράξενα φαινόμενα οι τρεις Βρετανοί θεωρητικοί φυσικοί κατέφυγαν σε ένα ασυνήθιστο, τότε, αλλά πολύ ισχυρό μαθηματικό εργαλείο, την Τοπολογία.
Απρόσμενα, η επιλογή της τοπολογικής προσέγγισης των μικροφυσικών μετατροπών της ύλης -και μάλιστα σε υποατομικό κβαντικό επίπεδο- αποδείχτηκε ιδιαίτερα διαφωτιστική.
Με εργαλείο την τοπολογία οι φετινοί νομπελίστες κατάφεραν να καταστήσουν ορατές τις μικροσκοπικές και συνεπώς αόρατες κβαντικές διεργασίες, οι οποίες επιτρέπουν ή μάλλον επιβάλλουν την ανάδυση των περίεργων συλλογικών συμπεριφορών της ύλης όταν αυτή βρίσκεται σε πολύ ακραίες συνθήκες.
Ολοι γνωρίζουμε ότι η ύλη βρίσκεται συνήθως σε τέσσερις βασικές καταστάσεις (ή φάσεις): στερεά, υγρή, αέρια και αυτή του πλάσματος. Ομως σε εξαιρετικά υψηλές ή εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες η ίδια ύλη συμπεριφέρεται πολύ περίεργα ή, όπως λένε οι ειδικοί, εκδηλώνει εντελώς ανοίκειες «μετατροπές φάσης».
Ολοι γνωρίζουμε ότι, στις συνήθεις συνθήκες, όταν η θερμοκρασία αυξάνεται ο πάγος λιώνει και μετατρέπεται σε υγρό, ενώ αν η θερμοκρασία συνεχίσει να αυξάνεται τότε το υγρό περνά προς μία πιο χαοτική φάση της ύλης.
Το ακριβώς αντίθετο συμβαίνει αν η θερμοκρασία μειωθεί κάτω από ορισμένες οριακές τιμές (τη λεγόμενη «κρίσιμη θερμοκρασία» που είναι διαφορετική για διαφορετικά υλικά).
Σε αυτήν την περίπτωση η ύλη εμφανίζει εντελώς απρόσμενες και πολύ εντυπωσιακές ιδιότητες. Για παράδειγμα, όταν η θερμοκρασία ορισμένων υλικών πλησιάζει το μηδέν τότε μηδενίζεται και η ηλεκτρική αντίσταση συνεχούς ρεύματος, ενώ εξίσου ασυνήθιστες είναι και οι μαγνητικές ιδιότητες αυτών των υλικών.
Πρόκειται για το περίφημο φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας και αυτά τα παράξενα υλικά αντικείμενα ονομάζονται υπεραγωγοί. Οι φυσικές παράμετροι και οι διεργασίες μετάβασης στην κατάσταση της υπεραγωγιμότητας μελετώνται από τη Φυσική εδώ και έναν αιώνα, ωστόσο μόνο τις τρεις τελευταίες δεκαετίες έχει συντελεστεί πραγματική πρόοδος.
Και η συμβολή των τοπολογικών κβαντοδυναμικών προσεγγίσεων, τις οποίες εισηγήθηκαν και ανέπτυξαν οι τρεις φετινοί νομπελίστες, είναι αποφασιστικής σημασίας όχι μόνο για την επιστήμη της Φυσικής αλλά και την τεχνολογική εκμετάλλευση αυτής της γνώσης.
Τοπολογία της Επιπεδοχώρας
Οπως είχε διαισθανθεί και περιγράψει -ήδη από τα τέλη του 19ου αιώνα!- ο Βρετανός συγγραφέας και λόγιος Εντουιν Αμποτ στην περίφημη μυθιστορία του «Η επιπεδοχώρα» (Flatland), ο απόλυτος και αιώνιος χωροχρόνος της κλασικής Φυσικής ήταν ιδιαίτερα ασφυκτικός για να φιλοξενήσει τα φαινόμενα της ζωής και της ιστορίας.
Και οι μονοδιάστατοι ή δισδιάστατοι πρωταγωνιστές του αφηγήματός του ήταν πολύ διαφορετικοί από τις υπάρξεις που ζουν σε μια πολυδιάστατη πραγματικότητα. Το περίεργο είναι ότι οι εξελίξεις στη Φυσική τον 20ό αιώνα -από τη Γενική Σχετικότητα μέχρι την Κβαντομηχανική- φαίνεται πως επιβεβαιώνουν τις λογοτεχνικές διαισθήσεις αυτού του γοητευτικού αφηγήματος.
Ειδικότερα η συμπεριφορά της ύλης που, σε τελευταία ανάλυση, υπακούει στους νόμους κβαντικής φυσικής, μπορεί να διαφοροποιείται σημαντικά όταν τα υποατομικά σωματίδια που τη συγκροτούν υποχρεώνονται να «ζουν» στον περιορισμένο δισδιάστατο ή και μονοδιάστατο χώρο ή όταν η θερμοκρασία πλησιάζει το απόλυτο μηδέν (-273 βαθμοί Κελσίου).
Σε τέτοιες ακραίες συνθήκες, όπως έδειξαν οι έρευνες που επιβραβεύτηκαν φέτος με το Νόμπελ Φυσικής, τα μικροφυσικά κβαντικά φαινόμενα αναδύονται στον μακρόκοσμο και εκδηλώνονται συνολικά στη μακροσκοπική συμπεριφορά της ύλης.
Ηδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1970, οι έρευνες του Ντέιβιντ Θάουλες και του Τζ. Μάικλ Κόστερλιτς έδειξαν ότι όταν η ύλη βρίσκεται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (κοντά στο απόλυτο μηδέν) τότε τα υποατομικά σωματίδια έχουν την τάση να κατανέμονται σε πολύ λεπτές δισδιάστατες ή μονοδιάστατες επιφάνειες, ενώ ταυτόχρονα αποκτούν εντελώς νέες εντυπωσιακές φυσικές ιδιότητες.
Χρησιμοποιώντας, μάλιστα, την τοπολογική ανάλυση κατάφεραν σταδιακά να περιγράψουν με αυστηρά μαθηματικό τρόπο τις βασικές μετατροπές φάσης που πραγματοποιεί η ύλη. Ετσι οδηγήθηκαν στο να προτείνουν μια νέα μετατροπή φάσης που πλέον ονομάζεται «μετατροπή ΚΤ», από τα αρχικά του ονόματός τους (μετατροπή Kosterlitz-Thouless).
Πρόκειται για μια μετατροπή φάσης, η οποία δεν εκδηλώνεται όπως οι συνήθεις μετατροπές φάσης (π.χ. του στερεού σε υγρό ή του υγρού σε αέριο). Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των «μετατροπών ΚΤ» είναι πως η τοπολογική μετατροπή εξαρτάται από τη δημιουργία μικρών δινών, που γίνονται ορατές επειδή είναι συζευγμένες μεταξύ τους τοπολογικά.
Και το πιο εντυπωσιακό είναι ότι έδειξαν πως αυτή η μετατροπή φάσης είναι καθολική και ισχύει για διάφορα υλικά: σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες σχηματίζονται πάντα τέτοιες συνδεδεμένες μεταξύ τους δίνες, οι οποίες διαχωρίζονται μόνο όταν η θερμοκρασία αυξάνεται και υπερβαίνει ένα προκαθορισμένο όριο μετάβασης σε άλλη φάση!
Τις επόμενες δεκαετίες (1980-1990) ο Ντέιβιντ Θάουλες και ο Φ. Ντάνκαν Χόλντεϊν, ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον, μελέτησαν την ηλεκτρική αγωγιμότητα και την ηλεκτρική αντίσταση της ύλης σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες και υπό την παρουσία ισχυρότατων μαγνητικών πεδίων. Για ακόμη μια φορά, αυτές οι έρευνες ανέδειξαν τη σημασία της τοπολογίας και τον αποφασιστικό ρόλο που παίζουν οι αλλαγές των τοπολογικών σχέσεων στη μεταβολή των φυσικών ιδιοτήτων των υλικών που μελέτησαν.
Ετσι το 1983, ο Ντέιβιντ Θάουλες έδειξε ότι, σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες και σε ισχυρά μαγνητικά πεδία, η προηγούμενη κβαντική εξήγηση ήταν εσφαλμένη. Χρειαζόταν συνεπώς μια νέα θεωρία που θα έπρεπε να λάβει υπόψη της και την τοπολογία των φαινομένων.
Την ίδια περίπου εποχή, οι έρευνες του Φ. Ντάνκαν Χόλντεϊν για τις μαγνητικές αλυσίδες ατόμων κατέληξαν σε ανάλογα συμπεράσματα. Δύο παράλληλες ερευνητικές εργασίες που επηρέασαν αποφασιστικά όλες τις μετέπειτα εξελίξεις σ’ αυτόν τον τομέα έρευνας.
Συνεπώς, η απονομή του Νόμπελ Φυσικής σε αυτές τις έρευνες είναι όχι μόνο δίκαιη αλλά και διορατική διότι αυτές άνοιξαν τον δρόμο και σε απρόσμενες τεχνολογικές εφαρμογές.
Οι τεχνολογικές προοπτικές της τοπολογικής προσέγγισης
Μέχρι τώρα εξετάσαμε τις νέες θεωρητικές τομές που δημιούργησε η εφαρμογή των τοπολογικών μοντέλων στη Φυσική. Ωστόσο, αυτές οι εξελίξεις άνοιξαν τον δρόμο και σε νέες τεχνολογικές εφαρμογές: από τους τοπολογικούς υπεραγωγούς στα τοπολογικά υπερρευστά και από τα νέα τοπολογικά υλικά στους κβαντικούς υπολογιστές!
Απιαστα, μέχρι σήμερα, τεχνολογικά επιτεύγματα φαίνονται ήδη από σήμερα πως θα υλοποιηθούν από την τεχνολογία τού αύριο. Η ανεκμετάλλευτη δύναμη της τοπολογίας θα γνωρίσει απ’ ό,τι φαίνεται απρόσμενες εφαρμογές όχι μόνο στην τεχνολογία των υπεραγωγών και των υπερρευστών, στην οποία ήδη αναφερθήκαμε, αλλά και στα τοπολογικά μονωτικά υλικά δύο ή τριών διαστάσεων: μονωτικά υλικά που στο εσωτερικό τους λειτουργούν ως απομονωτική ύλη, ενώ η επιφάνειά τους αποτελεί έναν αποτελεσματικότατο αγωγό.
Επίσης, αρκετές επιδοτήσεις δίνονται για την ανάπτυξη νέων τοπολογικών υλικών που θα αποτελέσουν το υλικό υπόστρωμα των αυριανών υπολογιστών, είτε αυτοί είναι κλασικοί είτε οι κβαντικοί.
Πράγματι, σε κάποια εργαστήρια ήδη δουλεύουν πυρετωδώς για τη δημιουργία μιας τοπολογικής μνήμης για υπολογιστές που ενώ θα διαθέτει τεράστια χωρητικότητα θα είναι ουσιαστικά απρόσβλητη από τους θορύβους.
Τα τοπολογικά υλικά δεν αποτελούν απλώς αντικείμενο της βασικής θεωρητικής έρευνας, αλλά στο άμεσο μέλλον θα αποδειχτούν βασικοί πρωταγωνιστές για την τεχνολογία αιχμής.
www.efsyn.gr
Δυστυχώς, για όσους αρέσκονται σε αδιαφανή συνωμοσιολογικά σενάρια, υπάρχει μία πολύ πιο απλή και νομότυπη εξήγηση: τα αποτελέσματα της έρευνας του εντοπισμού των βαρυτικών κυμάτων ανακοινώθηκαν επίσημα στις 11 Φεβρουαρίου 2016, ενώ οι υποψηφιότητες που γίνονται αποδεκτές για να εξεταστούν από την ειδική επιτροπή των Νόμπελ οφείλουν να έχουν δημοσιευτεί μέχρι τις 31 Ιανουαρίου!
Οσοι λοιπόν απογοητεύτηκαν με τη φετινή επιλογή, πρέπει να ξέρουν ότι υπάρχουν μεγάλες πιθανότητες οι ερευνητές των βαρυτικών κυμάτων να κερδίσουν το επόμενο Νόμπελ, αν βέβαια δεν υπάρξουν άλλες πιο εντυπωσιακές υποψηφιότητες.
Παρ’ όλα αυτά, θα ήταν λάθος να υποτιμηθεί η μεγάλη επιστημονική προσφορά των ερευνητών που τιμήθηκαν φέτος με το Νόμπελ Φυσικής. Σήμερα, θα εξετάσουμε αναλυτικά τι πέτυχαν αυτοί οι ερευνητές για να κριθούν άξιοι για το βραβείο Νόμπελ.
Οι Ντέιβιντ Θάουλες, Φ. Ντάνκαν Χόλντεϊν και Τζ. Μάικλ Κόστερλιτς, οι οποίοι κέρδισαν επάξια το φετινό βραβείο Νόμπελ Φυσικής, καταφεύγοντας στην τοπολογία κατάφεραν να κάνουν ορατές τις μικροσκοπικές κβαντικές διεργασίες που επιτρέπουν ή, ακριβέστερα, επιβάλλουν την ανάδυση των πιο παράξενων συλλογικών συμπεριφορών της ύλης, όταν αυτή βρίσκεται σε ακραίες συνθήκες
Kάθε χρόνο, πριν από την επίσημη ανακοίνωση των βραβείων Νόμπελ, στους επιστημονικούς ιστότοπους, στις εφημερίδες και στα ειδικά περιοδικά διάφοροι «ειδικοί» κάνουν προβλέψεις και στοιχηματίζουν για το ποιες συγκεκριμένες έρευνες θα κερδίσουν το βραβείο.
Ειδικότερα, για το φετινό Νόμπελ Φυσικής οι πιο πιθανοί διεκδικητές θεωρούνταν: οι Celso Grebogi, Edward Ott, James A. Yorke με τη μέθοδο OGY για τον έλεγχο των χαοτικών συστημάτων, οι μελέτες του Marwin L. Cohen για τη νέα μέθοδο πρόβλεψης των ιδιοτήτων των στερεών υλικών.
Ωστόσο πρώτοι στις προβλέψεις για την απονομή του Νόμπελ έρχονταν οι R. W. P. Drever, K. S. Thorne και R. Weiss, οι οποίοι σχεδίασαν επιτυχώς το πείραμα με τους δύο μεγάλους ανιχνευτές LIGO για την παρατήρηση των αόρατων βαρυτικών κυμάτων, τα οποία, ενώ προβλέπονταν από τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, δεν είχαν ποτέ ανιχνευτεί.
Τελικά, η επιτροπή της Σουηδικής Βασιλικής Ακαδημίας Επιστημών επέλεξε διαφορετικά και αποφάσισε να απονείμει το Νόμπελ σε τρεις σπουδαίους Βρετανούς θεωρητικούς φυσικούς που εδώ και δεκαετίες εργάζονται στις ΗΠΑ εξερευνώντας την ανεξήγητη, μέχρι πρόσφατα, συμπεριφορά της ύλης, όταν αυτή βρίσκεται στις πιο ακραίες και παράξενες «καταστάσεις» ή «φάσεις» της. Τι ακριβώς πέτυχαν αυτοί οι ερευνητές και κυρίως πώς κατάφεραν να εξηγήσουν τέτοια αινιγματικά φαινόμενα;
Το μυστικό της επιτυχίας
Το φετινό Νόμπελ Φυσικής -περίπου 900 χιλιάδες ευρώ- μοιράστηκε κατά το ένα ήμισυ στον Ντέιβιντ Θάουλες από το Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον στο Σιάτλ και στον Φ. Ντάνκαν Χόλντεϊν από το Πανεπιστήμιο του Πρίνστον στην Καλιφόρνια και τον Τζ. Μάικλ Κόστερλιτς από το Πανεπιστήμιο Μπράουν στο Ρόουντ Αϊλαντ.
«Για τις θεωρητικές ανακαλύψεις των τοπολογικών μετατροπών φάσης και των τοπολογικών φάσεων της ύλης», σύμφωνα με την επίσημη ανακοίνωση του γραμματέα της Σουηδικής Βασιλικής Ακαδημίας Επιστημών στη Στοκχόλμη.
Παρά τον επιβεβλημένο ενθουσιασμό, η αναπαραγωγή αυτής της σκοτεινής πρότασης από τα ΜΜΕ θα πρέπει να δημιούργησε μεγάλη αμηχανία στους περισσότερους «κοινούς θνητούς», δηλαδή στους μη ειδικούς αναγνώστες-θεατές της είδησης, οι οποίοι θα πρέπει να ένιωσαν ότι ακούνε «κινέζικα» στη γλώσσα τους.
Και η κατάσταση επιδεινώθηκε τις επόμενες ημέρες, με τους παραπλανητικούς τίτλους στα πρωτοσέλιδα των εφημερίδων, τα οποία μιλούσαν για τη μεγάλη ανακάλυψη των μυστικών της... «εξωτικής ύλης»! Ομως, όπως θα δούμε, δεν πρόκειται διόλου για «εξωτική» ύλη, αλλά για την εξήγηση κάποιων ακραίων –αλλά απολύτως φυσικών- φαινομένων.
Οι πρωτοποριακές έρευνες αυτών των φαινομένων ξεκίνησαν κατά τη δεκαετία του 1980 για να εξηγηθούν οι περίπλοκες και αντιδιαισθητικές συμπεριφορές της ύλης όταν βρεθεί σε ακραίες φυσικές καταστάσεις, π.χ. υπεραγωγιμότητα, υπερρευστότητα ή λεπτών μαγνητικών ταινιών. Για να περιγράψουν αυτά τα παράξενα φαινόμενα οι τρεις Βρετανοί θεωρητικοί φυσικοί κατέφυγαν σε ένα ασυνήθιστο, τότε, αλλά πολύ ισχυρό μαθηματικό εργαλείο, την Τοπολογία.
Απρόσμενα, η επιλογή της τοπολογικής προσέγγισης των μικροφυσικών μετατροπών της ύλης -και μάλιστα σε υποατομικό κβαντικό επίπεδο- αποδείχτηκε ιδιαίτερα διαφωτιστική.
Με εργαλείο την τοπολογία οι φετινοί νομπελίστες κατάφεραν να καταστήσουν ορατές τις μικροσκοπικές και συνεπώς αόρατες κβαντικές διεργασίες, οι οποίες επιτρέπουν ή μάλλον επιβάλλουν την ανάδυση των περίεργων συλλογικών συμπεριφορών της ύλης όταν αυτή βρίσκεται σε πολύ ακραίες συνθήκες.
Ολοι γνωρίζουμε ότι η ύλη βρίσκεται συνήθως σε τέσσερις βασικές καταστάσεις (ή φάσεις): στερεά, υγρή, αέρια και αυτή του πλάσματος. Ομως σε εξαιρετικά υψηλές ή εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες η ίδια ύλη συμπεριφέρεται πολύ περίεργα ή, όπως λένε οι ειδικοί, εκδηλώνει εντελώς ανοίκειες «μετατροπές φάσης».
Ολοι γνωρίζουμε ότι, στις συνήθεις συνθήκες, όταν η θερμοκρασία αυξάνεται ο πάγος λιώνει και μετατρέπεται σε υγρό, ενώ αν η θερμοκρασία συνεχίσει να αυξάνεται τότε το υγρό περνά προς μία πιο χαοτική φάση της ύλης.
Το ακριβώς αντίθετο συμβαίνει αν η θερμοκρασία μειωθεί κάτω από ορισμένες οριακές τιμές (τη λεγόμενη «κρίσιμη θερμοκρασία» που είναι διαφορετική για διαφορετικά υλικά).
Σε αυτήν την περίπτωση η ύλη εμφανίζει εντελώς απρόσμενες και πολύ εντυπωσιακές ιδιότητες. Για παράδειγμα, όταν η θερμοκρασία ορισμένων υλικών πλησιάζει το μηδέν τότε μηδενίζεται και η ηλεκτρική αντίσταση συνεχούς ρεύματος, ενώ εξίσου ασυνήθιστες είναι και οι μαγνητικές ιδιότητες αυτών των υλικών.
Πρόκειται για το περίφημο φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας και αυτά τα παράξενα υλικά αντικείμενα ονομάζονται υπεραγωγοί. Οι φυσικές παράμετροι και οι διεργασίες μετάβασης στην κατάσταση της υπεραγωγιμότητας μελετώνται από τη Φυσική εδώ και έναν αιώνα, ωστόσο μόνο τις τρεις τελευταίες δεκαετίες έχει συντελεστεί πραγματική πρόοδος.
Και η συμβολή των τοπολογικών κβαντοδυναμικών προσεγγίσεων, τις οποίες εισηγήθηκαν και ανέπτυξαν οι τρεις φετινοί νομπελίστες, είναι αποφασιστικής σημασίας όχι μόνο για την επιστήμη της Φυσικής αλλά και την τεχνολογική εκμετάλλευση αυτής της γνώσης.
Τοπολογία της Επιπεδοχώρας
Οπως είχε διαισθανθεί και περιγράψει -ήδη από τα τέλη του 19ου αιώνα!- ο Βρετανός συγγραφέας και λόγιος Εντουιν Αμποτ στην περίφημη μυθιστορία του «Η επιπεδοχώρα» (Flatland), ο απόλυτος και αιώνιος χωροχρόνος της κλασικής Φυσικής ήταν ιδιαίτερα ασφυκτικός για να φιλοξενήσει τα φαινόμενα της ζωής και της ιστορίας.
Και οι μονοδιάστατοι ή δισδιάστατοι πρωταγωνιστές του αφηγήματός του ήταν πολύ διαφορετικοί από τις υπάρξεις που ζουν σε μια πολυδιάστατη πραγματικότητα. Το περίεργο είναι ότι οι εξελίξεις στη Φυσική τον 20ό αιώνα -από τη Γενική Σχετικότητα μέχρι την Κβαντομηχανική- φαίνεται πως επιβεβαιώνουν τις λογοτεχνικές διαισθήσεις αυτού του γοητευτικού αφηγήματος.
Ειδικότερα η συμπεριφορά της ύλης που, σε τελευταία ανάλυση, υπακούει στους νόμους κβαντικής φυσικής, μπορεί να διαφοροποιείται σημαντικά όταν τα υποατομικά σωματίδια που τη συγκροτούν υποχρεώνονται να «ζουν» στον περιορισμένο δισδιάστατο ή και μονοδιάστατο χώρο ή όταν η θερμοκρασία πλησιάζει το απόλυτο μηδέν (-273 βαθμοί Κελσίου).
Σε τέτοιες ακραίες συνθήκες, όπως έδειξαν οι έρευνες που επιβραβεύτηκαν φέτος με το Νόμπελ Φυσικής, τα μικροφυσικά κβαντικά φαινόμενα αναδύονται στον μακρόκοσμο και εκδηλώνονται συνολικά στη μακροσκοπική συμπεριφορά της ύλης.
Ηδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1970, οι έρευνες του Ντέιβιντ Θάουλες και του Τζ. Μάικλ Κόστερλιτς έδειξαν ότι όταν η ύλη βρίσκεται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (κοντά στο απόλυτο μηδέν) τότε τα υποατομικά σωματίδια έχουν την τάση να κατανέμονται σε πολύ λεπτές δισδιάστατες ή μονοδιάστατες επιφάνειες, ενώ ταυτόχρονα αποκτούν εντελώς νέες εντυπωσιακές φυσικές ιδιότητες.
Χρησιμοποιώντας, μάλιστα, την τοπολογική ανάλυση κατάφεραν σταδιακά να περιγράψουν με αυστηρά μαθηματικό τρόπο τις βασικές μετατροπές φάσης που πραγματοποιεί η ύλη. Ετσι οδηγήθηκαν στο να προτείνουν μια νέα μετατροπή φάσης που πλέον ονομάζεται «μετατροπή ΚΤ», από τα αρχικά του ονόματός τους (μετατροπή Kosterlitz-Thouless).
Πρόκειται για μια μετατροπή φάσης, η οποία δεν εκδηλώνεται όπως οι συνήθεις μετατροπές φάσης (π.χ. του στερεού σε υγρό ή του υγρού σε αέριο). Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των «μετατροπών ΚΤ» είναι πως η τοπολογική μετατροπή εξαρτάται από τη δημιουργία μικρών δινών, που γίνονται ορατές επειδή είναι συζευγμένες μεταξύ τους τοπολογικά.
Και το πιο εντυπωσιακό είναι ότι έδειξαν πως αυτή η μετατροπή φάσης είναι καθολική και ισχύει για διάφορα υλικά: σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες σχηματίζονται πάντα τέτοιες συνδεδεμένες μεταξύ τους δίνες, οι οποίες διαχωρίζονται μόνο όταν η θερμοκρασία αυξάνεται και υπερβαίνει ένα προκαθορισμένο όριο μετάβασης σε άλλη φάση!
Τις επόμενες δεκαετίες (1980-1990) ο Ντέιβιντ Θάουλες και ο Φ. Ντάνκαν Χόλντεϊν, ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον, μελέτησαν την ηλεκτρική αγωγιμότητα και την ηλεκτρική αντίσταση της ύλης σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες και υπό την παρουσία ισχυρότατων μαγνητικών πεδίων. Για ακόμη μια φορά, αυτές οι έρευνες ανέδειξαν τη σημασία της τοπολογίας και τον αποφασιστικό ρόλο που παίζουν οι αλλαγές των τοπολογικών σχέσεων στη μεταβολή των φυσικών ιδιοτήτων των υλικών που μελέτησαν.
Ετσι το 1983, ο Ντέιβιντ Θάουλες έδειξε ότι, σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες και σε ισχυρά μαγνητικά πεδία, η προηγούμενη κβαντική εξήγηση ήταν εσφαλμένη. Χρειαζόταν συνεπώς μια νέα θεωρία που θα έπρεπε να λάβει υπόψη της και την τοπολογία των φαινομένων.
Την ίδια περίπου εποχή, οι έρευνες του Φ. Ντάνκαν Χόλντεϊν για τις μαγνητικές αλυσίδες ατόμων κατέληξαν σε ανάλογα συμπεράσματα. Δύο παράλληλες ερευνητικές εργασίες που επηρέασαν αποφασιστικά όλες τις μετέπειτα εξελίξεις σ’ αυτόν τον τομέα έρευνας.
Συνεπώς, η απονομή του Νόμπελ Φυσικής σε αυτές τις έρευνες είναι όχι μόνο δίκαιη αλλά και διορατική διότι αυτές άνοιξαν τον δρόμο και σε απρόσμενες τεχνολογικές εφαρμογές.
Οι τεχνολογικές προοπτικές της τοπολογικής προσέγγισης
Μέχρι τώρα εξετάσαμε τις νέες θεωρητικές τομές που δημιούργησε η εφαρμογή των τοπολογικών μοντέλων στη Φυσική. Ωστόσο, αυτές οι εξελίξεις άνοιξαν τον δρόμο και σε νέες τεχνολογικές εφαρμογές: από τους τοπολογικούς υπεραγωγούς στα τοπολογικά υπερρευστά και από τα νέα τοπολογικά υλικά στους κβαντικούς υπολογιστές!
Απιαστα, μέχρι σήμερα, τεχνολογικά επιτεύγματα φαίνονται ήδη από σήμερα πως θα υλοποιηθούν από την τεχνολογία τού αύριο. Η ανεκμετάλλευτη δύναμη της τοπολογίας θα γνωρίσει απ’ ό,τι φαίνεται απρόσμενες εφαρμογές όχι μόνο στην τεχνολογία των υπεραγωγών και των υπερρευστών, στην οποία ήδη αναφερθήκαμε, αλλά και στα τοπολογικά μονωτικά υλικά δύο ή τριών διαστάσεων: μονωτικά υλικά που στο εσωτερικό τους λειτουργούν ως απομονωτική ύλη, ενώ η επιφάνειά τους αποτελεί έναν αποτελεσματικότατο αγωγό.
Επίσης, αρκετές επιδοτήσεις δίνονται για την ανάπτυξη νέων τοπολογικών υλικών που θα αποτελέσουν το υλικό υπόστρωμα των αυριανών υπολογιστών, είτε αυτοί είναι κλασικοί είτε οι κβαντικοί.
Πράγματι, σε κάποια εργαστήρια ήδη δουλεύουν πυρετωδώς για τη δημιουργία μιας τοπολογικής μνήμης για υπολογιστές που ενώ θα διαθέτει τεράστια χωρητικότητα θα είναι ουσιαστικά απρόσβλητη από τους θορύβους.
Τα τοπολογικά υλικά δεν αποτελούν απλώς αντικείμενο της βασικής θεωρητικής έρευνας, αλλά στο άμεσο μέλλον θα αποδειχτούν βασικοί πρωταγωνιστές για την τεχνολογία αιχμής.
www.efsyn.gr
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου