за теоретические открытия в топологических фазовых переходах и топологических фазах материи

Теорети́ческая фи́зика — раздел физики, в котором в качестве основного способа познания природы используется создание теоретических (в первую очередь математических) моделей явлений и сопоставление их с реальностью. В такой формулировке теоретическая физика является самостоятельным методом изучения природы, хотя её содержание, естественно, формируется с учётом результатов экспериментов и наблюдений за природой.

Методология теоретической физики[1] состоит в выделении ключевых физических понятий (таких, как атом, масса, энергия, энтропия, поле и т. д.) и формулировки на математическом языке законов природы, связывающих эти понятия; объяснении наблюдаемых явлений природы на основе сформулированных законов природы; предсказании новых явлений природы, которые могут быть обнаружены.

Близким аналогом является математическая физика, которая исследует свойства физических моделей на математическом уровне строгости, однако не занимается вопросами выбора физических понятий и сопоставления моделей с реальностью (хотя вполне может предсказать новые явления).

Теоретическая физика не рассматривает вопросы вида «почему математика должна описывать природу?». Она принимает за постулат то, что, в силу неких причин, математическое описание природных явлений оказывается крайне эффективным[2], и изучает последствия этого постулата. Строго говоря, теоретическая физика изучает не свойства самой природы, а свойства предлагаемых теоретических моделей. Кроме того, часто теоретическая физика изучает какие-либо модели «сами по себе», без привязки к конкретным природным явлениям.

Однако основной задачей теоретической физики остаётся открытие и понимание наиболее общих законов природы, управляющих какой-либо областью физических явлений, и, во-вторых, исходя из этих законов, описание ожидаемого поведения тех или иных физических систем в реальности. Почти специфической особенностью теоретической физики в отличие от других естественных наук является предсказание ещё неизвестных физических явлений и точных результатов измерений.

Продуктом теоретической физики являются физические теории. Поскольку теоретическая физика работает именно с математическими моделями, крайне важным требованием является математическая непротиворечивость завершенной физической теории. Вторым обязательным свойством, отличающим теоретическую физику от математики, является возможность получать внутри теории предсказания для поведения Природы в тех или иных условиях (то есть предсказания для экспериментов) и, в тех случаях, где результат эксперимента уже известен, давать согласие с экспериментом.

Сказанное выше позволяет обрисовать общую структуру физической теории. Она должна содержать:
описание круга явлений, для которых строится математическая модель,
аксиомы, определяющие математическую модель,
аксиомы, сопоставляющие (по крайней мере, некоторым) математическим объектам наблюдаемые, физические объекты,
непосредственные следствия математических аксиом и их эквиваленты в реальном мире, которые истолковываются как предсказания теории.

Из этого становится ясно, что утверждения типа «а вдруг теория относительности неверна?» бессмысленны.

раздел физики, в котором в качестве основного способа познания природы используется создание теоретических (в первую очередь математических) моделей явлений и сопоставление их с реальностью.

04.10.2016 15:55

«Нобеля» по физике получили трое британских ученых
Текст: Юрий Медведев



Нобелевский комитет огласил свой вердикт с формулировкой: Дэвид Таулес, Дункан Халдейн и Майкл Костерлитц удостоены премии «за теоретические открытия в топологических фазовых переходах и топологических фазах материи». Прямо скажем, эта работа не числилась в фаворитах. Научный хит-парад безоговорочно возглавляло сделанное в этом году открытие гравитационных волн. Но нобелевские «аксакалы» последние годы удивляют своими неожиданными решениями.

Действительно, награжденные премией работы не такие громкие, они вряд ли поразят воображение широкой публики. Впрочем, ряд физиков считает, что по гамбургскому счету, эти «негромкие» исследования уже давно стали основой для новых идей во многих областях науки. В чем же их суть?

— Известно, что при плавлении происходит фазовый переход, кристалл быстро разрушается и получается жидкость, — объяснил корреспонденту «РГ» доктор физико-математических наук из Физического института РАН Петр Арсеев. — Но такой переход от порядка к хаосу характерен только для трехмерных тел. А где-то в 70-х годах советский ученый Вадим Березинский теоретически показал, что совсем иная картина должна быть в двумерных системах.

Именно этими исследованиями занимались нынешние лауреаты. Оказалось, что в таких системах при плавлении дефекты возникают своеобразным образом. При низких температурах появляются связанные между собой пары, их называют вихрь — антивихрь. Они могут существовать довольно долго, а могу быстро исчезать. А вот если температура поднимается еще выше, то эти пары могут разорваться и уже гулять по системе каждая сама по себе. Этот фазовый переход в науке носит название Березинского-Таулеса-Костерлитца. По словам Арсеева, Березинский вполне достоин этой премии, но, увы, он давно ушел из жизни.

Что касается, третьего лауреата Дункана Халдейна, то он изучал те же эффекты, но для одномерных систем. Как он отметил в интервью после объявления лауреатов, эти теоретические работы смогут в будущем помочь в создании квантового компьютера и имеет отношение к квантовым физическим явлениям.

Справка

Дэвид Таулес родился в 1934 году в городе Берсден в Шотландии. На сегодняшний день он является профессором Вашингтонского университета (США).

Профессору Дункану Халдейну 65 лет. Он родился в Лондоне и работает в Принстонском университете в США.

Профессору Костерлицу 73 года. Он родился в Абердине (Шотландия) и работает в университете Брауна в США.

он ведь по-существу прав…

Алексей Алексенко

Нобелевская премия за дырки и вихри

источник: snob.ru

За что могли дать премию по физике в год открытия гравитационных волн? Ну конечно же за открытия, которые были сделаны еще 30-40 лет назад! Только не подумайте, что мы здесь высказываем недовольство: чтобы оценить значимость этой работы, надо понимать в ней хоть что-нибудь, а мы в редакции «Сноба» этим похвастаться не можем. Ну разве что совсем-совсем чуть-чуть.

Если вы возьмете тонкий слой, например, воды, то он может течь ровно-ровно в одну сторону, а может как-то растекаться и стекаться, как автомобили на Ярославском шоссе (оно, как мы знаем, местами то сужается, то расширяется, и автомобили движутся соответственно). Чисто теоретически можно предположить, что в каком-то широком месте обезумевшие автомобилисты начнут вообще ездить по кругу. Собственно, и жидкость в тонком слое может по каким-то причинам образовать водоворот. Число водоворотов — в отличие, к примеру, от скорости и плотности потока — может быть только целым: один водоворот, два, пять, но никак не половинка водоворота. Если теперь назвать наши водовороты «вихрями», то это и есть та самая загадочная штука, которую учли теоретики, разрабатывавшие поведение материи в этих самых тонких слоях.

В названии темы нобелевской премии — за «топологические фазовые переходы» — есть слово «топологический». Топология — это то, что отличает жидкость без водоворота от жидкости с одним водоворотом. Или еще вот как: топология отличает шарик (без дырок) от бублика (с одной дыркой) и восьмерки (с двумя дырками). Число вихрей, как и число дырок в бубликах, непременно должно быть целым, и никак не получится плавно изменить это число, скажем, от двух до трех.

Вся математика такая — начинается с каких-то детских игрушек, вроде бубликов и водоворотов, и тут же обрушивается в пучину непостижимой сложности. Мы в эту пучину не пойдем и вас не приглашаем. Зато мы упомянем, для примера, про тонкий слой электронов между двумя полупроводниками. В нем наблюдается одна штука, которая называется «квантовый эффект Холла»: электрическая проводимость такого слоя меняется в зависимости от внешних факторов не плавно, а скачками. Ровно так, как будто бы это была не проводимость, а число дырок в бублике. Или число вихрей.

Вот примерно все это, и гораздо больше этого, и вошло в теорию, за которую сегодня дали Нобелевскую премию.

Эту премию, как мы знаем, могут разделить между собой максимум трое ученых. И, собственно, претендентов оказалось как раз трое. Во-первых, это Холдейн, который применил топологический подход к магнитным свойствам материалов. Во-вторых, Таулесс и Костерлиц, в честь которых назван фазовый переход из состояния, в котором вихри (водовороты) связаны попарно, к состоянию, когда они движутся как попало.

Только вот переход этот полностью называется так: БКТ-переход. И назван он в честь Березинского, Таулесса и Костерлица.

И вот тут мы подходим к тому аспекту нынешней физической премии, который не должен бы оставить равнодушным наших соотечественников. Потому что Вадим Львович Березинский — тот, кто начал рисовать на промокашках эти самые вихри еще в начале 1970-х — премию не получил. И не потому, что он русский, а русских зажимают (вообще-то он еврей). А потому, что умер тридцать шесть лет назад.

Вадим Львович Березинский моложе 80-летнего Таулесса, который легко дожил до своей нобелевки. Но Березинский умер в возрасте 45 лет. И перед тем, как умереть, он не то чтобы купался в славе. Дело в том, что Вадим Львович Березинский действительно был евреем, а в СССР это было как-то неприлично. К тому же он был из той особой породы непробивных евреев, которым физика конденсированных сред милее суетных земных амбиций. Окночил физфак МГУ, в аспирантуру пришлось поступать в МИФИ, а потом работать угадайте где? Правильно, в текстильном институте. Нельзя же доверять непонятному еврею стратегические тайны советской физики, он же того и гляди уехать может.

После текстильного института было еще девять лет в НИИ «Теплоприбор» — за такими названиями в СССР обычно скрывалось нечто жутко стратегическое, а за жутко стратегическим — никчемные шабашки, где отмечались в табеле ровно в восемь утра, а после этого делали, кто что хочет. Но Вадиму Березинскому было все равно, где работать. Вся стратегически-важная физика была у него в голове, и никаких полковников гэбухи не хватило бы, чтобы удержать эту физику в секрете от таких, как Березинский.

Он успел довольно много наделать там, в «Теплоприборе». Беда в том, что революционные прорывы в теоретической физике требуют большой затраты сил. А жизнь инженера, работающего в совковом «ящике», не вполне позволяла эти силы восстанавливать. В ИТФ им. Ландау Березинский перешел только за три года до смерти, уже больным. В 1980 году он скончался.

А в 2016 теория, во многом выросшая из его расчетов, удостоилась нобелевской премии. Вот, кстати, сто восемьдесят пятая причина, почему в России сильно меньше нобелевских лауреатов, чем в США: наши как-то не доживают.

Итак, мы поздравляем всех ныне живущих нобелиатов, и в их числе — Дункана Холдейна, Майкла Костерлица и Дэвида Таулесса. О том, в чем состоит их открытие, можно прочитать сложную статью здесь, и статью попроще — вот здесь. Хотя должен вас предупредить, что статья попроще даже еще менее понятна, чем сложная (там к непонятной физике добавляется еще и вопрос «Зачем это все нам?!»)

А о жизни Вадима Львовича Березинского, я надеюсь, в ближайшее время появится какая-нибудь интересная статья. Не исключаю, что весьма тенденциозная и очерняющая определенный период нашей славной истории — весь этот беспросветный мрак 1970-х, который я, к несчастью, еще помню. Не пропустите эту статью, наверняка будет познавательно.

О ПОСЛЕДНЕЙ НОБЕЛЕВКЕ ПО ФИЗИКЕ

Смех сквозь слёзы или смех до слёз?

Не столько о сути работы(если грубо, то всё «достижение» британской троицы состоит в использовании стандартных методов алгебраической топологии (в основном — аппарата гомологической алгебры) для описания фазовых пространств квантовых систем, свойства которых давным давно были описаны П.Капицей и Л.Ландау, за что они в своё время вполне заслуженно и были удостоены своих нобелевок), сколько о фантастическом невежестве доносящей до широкой публики достижения современной науки журналистской братии.

Ради любопытства просмотрел несколько информационных сводок о «событии» в Яндексе и в Googl’е.
Вот типичный образчик: www.interfax.ru/world/531033

О смысле работы — кроме банальщины о «деформациях», кружках», «бубликах» и выраженных в американской зелени суммах премий – ни слова.
И куда податься «человеку с улицы», который действительно захотел бы разобраться в сути работы, а не ограничиться лишь общей болтовнёй ни о чём и делёжкой денежки между лауреатами?

В советские времена популяризацией науки занимались либо сами исследователи, либо имевшие неплохую специальную подготовку литераторы и журналисты, и отличной научно-популярной литературой были заставлены целые отделы книжных магазинов.
В чём, собственно, и состоял один из «секретов» популярности научного знания в Союзе и нашего мирового приоритета во многих областях фундаментальной и прикладной науки.

А что теперь?
Серьёзных отечественных научно-популярных изданий – шаром покати, зато макулатурой от всякого рода шарлатанов (как правило, с уклоном в мистику) – хоть залейся.

Ну, а mass media – так это просто царство невежд и откровенных недоумков.
Тотальное засилье пристроенных на тёпленькие местечки журналюг-дебилов, в недалёком прошлом — блатных «натянутых» троечничков».
Театр абсурда.

раздел физики, в котором в качестве основного способа познания природы используется создание теоретических (в первую очередь математических) моделей явлений и сопоставление их с реальностью.

источник: im6.kommersant.ru

Фазовый переход привел к Нобелевской премии
Лауреатами в области физики стала группа американских ученых

Британцы, работающие в США, Дэвид Таулесс, Дункан Холдейн и Майкл Костерлиц стали вторыми лауреатами премии в этом году. Во вторник в Стокгольме комитет премии присудил ученым победу с формулировкой «за теоретические открытия в топологических фазовых переходов и топологических фаз материи».

Комитет проигнорировал достижения в области открытия гравитационных волн, которым пророчили наибольшие шансы на победу. Кроме того, номинировать на премию в области физики можно только троих лауреатов, а исследования топологических фазовых переходов проводила большая группа ученых.

Отбор лауреатов премии в области физики традиционно считается наиболее строгим и занимает больше всего времени. Эта область в отличие от других содержит серьезное ограничение: номинировать можно не более трех лауреатов. В этом году комитет премии максимально использовал имеющиеся возможности и присудил премию сразу троим ученым: Дэвиду Таулессу, Дункану Холдейну и Майклу Костерлицу. Победу ученым присудили с формулировкой «за теоретические открытия в области топологических фазовых переходов и топологических фаз материи». Все трое ученых работают в американских организациях: в Вашингтонском, Принстонском и Брауновском университетах. При этом известно, что исследованиями топологических фазовых переходов и топологических фаз материи занималась гораздо более многочисленная группа ученых.

Ученые получили награду за математическое описание фазовых переходов, известных как «странные» состояния вещества. «Исследователи раскрыли тайны необычной материи» и «открыли дверь в мир непознанного», говорится в заявлении Нобелевского комитета. Смысл открытия ученых представитель комитета во время объявления имен лауреатов попытался проиллюстрировать примером с выпечкой. По его словам, если рассматривать характеристики булочки с корицей, бублика и кренделька, то для топологии важно, что в булочке вовсе нет дырок, в бублике есть одна, а в некоторых изделиях их две.

«Это позволяет объяснить очень многое, отчасти, как вообще устроен наш мир,— рассказал “Ъ” руководитель научной группы Российского квантового центра Алексей Рубцов.— Премию дали за объяснение тех явлений, которые уже были известны, с добавлением новых переосмыслений». По его словам, впервые ученые объяснили, что топология имеет для физики решающее значение, «раньше это был просто красивый раздел математики, теперь в физике будет применяться топологический принцип: как бы вы ни влияли на плоскость извне, внутри структуры будет сохранен вихрь, устойчивый, как водоворот на реке», пояснил он. Господин Рубцов считает, что теоритические достижения, отмеченные комитетом, в первую очередь могут быть применены в технологиях хранения квантовой информации.

Знаковым событием в области физики в 2016 году стало открытие гравитационных волн, которые удалось обнаружить ученым международной коллаборации LIGO. В нее в том числе входят представители физического факультета МГУ. Главными претендентами на премию в этом году считались одни из основателей коллаборации профессор физики в Массачусетском технологическом институте Райнер Вайс, шотландский физик и специалист в области лазеров Рональд Древер и физик, астроном и эксперт в области общей теории относительности Кип Торн. Впрочем, комитет премии также проигнорировал достижения профессора Марвина Коэна в области исследования свойств твердых тел и исследования группы ученых по теории управления хаотическими системами, которые среди экспертов считались одними из главных претендентов на победу в этом году.

Напомним, вчера в Стокгольме назвали имя первого лауреата Нобелевской премии в этом году. Им стал японский ученый Ёсинори Осуми за достижения в области физиологии. В этом году размер Нобелевской премии составляет 8 млн шведских крон (около $932 тыс.). Награждение лауреатов состоится 10 декабря в Стокгольме.