Lista laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki. Laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki

Dziś, 2 października 2018 r., w Sztokholmie odbyła się ceremonia ogłoszenia laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki. Nagrodę przyznano „za przełomowe odkrycia w dziedzinie fizyki laserów”. W tekście wskazano, że połowa nagrody trafia do Arthura Ashkina za „pęsety optyczne i ich zastosowanie w układach biologicznych”, a drugą połowę do Gérarda Mourou i Donny Strickland „za metodę generowania ultrakrótkich impulsów optycznych o wysokiej intensywności”.

Z NAJNOWSZEJ WIADOMOŚCI⁰Królewska Szwedzka Akademia Nauk podjęła decyzję o przyznaniu nagrody #Nagroda Nobla Doktorat z fizyki 2018 „za przełomowe wynalazki w dziedzinie fizyki laserów”, z czego jedna połowa została przyznana Arthurowi Ashkinowi, a druga połowa wspólnie Gérardowi Mourou i Donnie Strickland. pic.twitter.com/PK08SnUslK
2 października 2018 r

Arthur Ashkin wynalazł pęsety optyczne, które mogą wychwytywać i przenosić pojedyncze atomy, wirusy i żywe komórki bez ich uszkadzania. Dokonuje tego poprzez skupianie promieniowania laserowego i wykorzystanie sił gradientowych, które przyciągają cząsteczki do obszaru o większym natężeniu pola elektromagnetycznego. Po raz pierwszy grupie Ashkina udało się w ten sposób uchwycić żywą komórkę w 1987 roku. Obecnie metoda ta jest szeroko stosowana do badania wirusów, bakterii, komórek tkanek ludzkich, a także do manipulacji pojedynczymi atomami (w celu tworzenia układów o rozmiarach nano).

Gerardowi Moore'owi i Donnie Strickland po raz pierwszy udało się w 1985 roku stworzyć źródło ultrakrótkich impulsów laserowych o dużej intensywności bez niszczenia środowiska pracy lasera. Przed ich badaniami znaczne wzmocnienie laserów krótkoimpulsowych było niemożliwe: pojedynczy impuls przechodzący przez wzmacniacz prowadził do zniszczenia układu z powodu zbyt dużego natężenia.

Metoda generowania impulsów opracowana przez Moore'a i Stricklanda nazywa się obecnie wzmacnianiem impulsów ćwierkanych: im krótszy impuls lasera, tym szersze jest jego widmo, a wszystkie składowe widma rozchodzą się razem. Jednakże, stosując parę pryzmatów (lub siatek dyfrakcyjnych), składowe widmowe impulsu można opóźniać względem siebie przed wejściem do wzmacniacza, zmniejszając w ten sposób intensywność promieniowania w każdej chwili. Ten ćwierkający impuls jest następnie wzmacniany przez układ optyczny, a następnie ponownie kompresowany do krótkiego impulsu przy użyciu układu optycznego z odwrotną dyspersją (zwykle siatek dyfrakcyjnych).

Ultraostre promienie lasera umożliwiają niezwykle precyzyjne wycinanie lub wiercenie otworów w różnych materiałach – nawet w żywej materii. Co roku przeprowadza się miliony operacji oczu przy użyciu najostrzejszych wiązek lasera. #Nagroda Nobla pic.twitter.com/MiYb4i8AHw
Nagroda Nobla (@NobelPrize) 2 października 2018 r

Wzmocnienie ćwierkających impulsów umożliwiło stworzenie wydajnych laserów femtosekundowych o zauważalnej mocy. Są w stanie wytwarzać potężne impulsy trwające biliardowe części sekundy. Na ich bazie stworzono dziś szereg obiecujących układów zarówno w elektronice, jak i instalacjach laboratoryjnych, ważnych dla wielu dziedzin fizyki. Jednocześnie stale znajdują nowe, często nieoczekiwane obszary praktycznego zastosowania.

Na przykład metoda laserowej korekcji wzroku femtosekundowej (SMall Incision Lenticula Extraction) pozwala na usunięcie części rogówki oka i tym samym skorygowanie krótkowzroczności. Chociaż samo podejście do korekcji laserowej zaproponowano już w latach 60. XX wieku, przed pojawieniem się laserów femtosekundowych, moc i krótkość impulsów nie wystarczały do skutecznej i bezpiecznej pracy z okiem: długie impulsy przegrzewały tkankę oka i uszkadzały ją, a krótkie impulsy były zbyt słabe, aby uzyskać pożądane nacięcie rogówki oka. Obecnie miliony ludzi na całym świecie poddano zabiegom chirurgicznym przy użyciu podobnych laserów.

Ponadto lasery femtosekundowe, dzięki krótkiemu czasowi trwania impulsu, umożliwiły stworzenie urządzeń monitorujących i kontrolujących ultraszybkie procesy zarówno w fizyce ciała stałego, jak i w układach optycznych. Jest to niezwykle ważne, ponieważ przed uzyskaniem środka rejestrującego procesy zachodzące przy takich prędkościach prawie niemożliwe było zbadanie zachowania szeregu układów, na podstawie których, jak się zakłada, możliwe będzie stworzenie obiecującej elektroniki przyszłości.

Aleksiej Szczerbakow, starszy badacz w Laboratorium Nanooptyki i Plazmoniki w MIPT, skomentował Attic: „Nagrodę Nobla dla Gerarda Mourou za wkład w rozwój laserów femtosekundowych trzeba było czekać długo, dziesięć lat, a może więcej. Rola pracy z tym związanej jest naprawdę fundamentalna, a lasery tego rodzaju są coraz częściej stosowane na całym świecie. Dziś trudno nawet wymienić wszystkie obszary, w których są stosowane. To prawda, że trudno mi powiedzieć, co spowodowało decyzję Komitetu Noblowskiego o połączeniu w jedną nagrodę zarówno Mury, jak i Ashkina, których osiągnięcia nie są ze sobą bezpośrednio powiązane. To rzeczywiście nie jest najbardziej oczywista decyzja komisji. Być może uznali, że nie da się przyznać nagrody tylko Moore’owi lub tylko Ashkinowi, ale gdyby połowa nagrody przypadła jednemu reżyserowi, a druga połowa drugiemu, to wydawałoby się to całkiem uzasadnione”..

Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki, najwyższe wyróżnienie za osiągnięcia naukowe w danej dziedzinie, przyznawana jest corocznie przez Królewską Szwedzką Akademię Nauk w Sztokholmie. Powstała zgodnie z wolą szwedzkiego chemika i przedsiębiorcy Alfreda Nobla. Nagrodę może otrzymać jednocześnie maksymalnie trzech naukowców. Nagroda pieniężna może zostać rozdzielona równo pomiędzy nich lub podzielona na połowę i dwie ćwiartki. W 2017 roku premia pieniężna została zwiększona o jedną ósmą – z ośmiu do dziewięciu milionów koron (około 1,12 miliona dolarów).

Każdy laureat otrzymuje medal, dyplom oraz nagrodę pieniężną. Medale i nagrody pieniężne zostaną tradycyjnie wręczone laureatom podczas dorocznej ceremonii, która odbędzie się w Sztokholmie 10 grudnia, w rocznicę śmierci Nobla.

Pierwsza Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki została przyznana w 1901 roku Wilhelmowi Conradowi Roentgenowi za odkrycie i badanie właściwości promieni, które później nazwano jego imieniem. Co ciekawe, naukowiec przyjął nagrodę, ale odmówił przybycia na ceremonię wręczenia, twierdząc, że jest bardzo zajęty. Dlatego nagrodę wysłano mu pocztą. Kiedy rząd niemiecki podczas I wojny światowej zwrócił się do ludności z prośbą o pomoc państwu w postaci pieniędzy i kosztowności, Roentgen przekazał wszystkie swoje oszczędności, w tym Nagrodę Nobla.

W ubiegłym roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali Rainer Weiss, Barry Barish i Kip Thorne. Ci trzej fizycy wnieśli kluczowy wkład w prace nad detektorem LIGO, który wykrywał fale grawitacyjne. Teraz z ich pomocą możliwe stało się śledzenie łączenia się gwiazd neutronowych i czarnych dziur niewidocznych dla teleskopów.

Co ciekawe, od przyszłego roku sytuacja z przyznawaniem Nagród Nobla może się znacząco zmienić. Komitet Noblowski zaleci, aby decydenci przyznający nagrodę wybierali kandydatów na podstawie płci, aby uwzględnić więcej kobiet, oraz według pochodzenia etnicznego, aby zwiększyć liczbę osób spoza Zachodu). Nie wpłynie to jednak prawdopodobnie na fizykę – jak dotąd tylko dwie laureatki tej nagrody to kobiety. I właśnie w tym roku Donna Strickland zajęła trzecie miejsce.

Z sformułowaniem „ za teoretyczne odkrycia topologicznych przejść fazowych i topologicznych faz materii" Za tym nieco niejasnym i niezrozumiałym dla ogółu społeczeństwa sformułowaniem kryje się cały świat nietrywialnych i zaskakujących nawet dla samych fizyków efektów, w których teoretycznym odkryciu kluczową rolę odegrali laureaci w latach 70. i 80. XX wieku. Oczywiście nie tylko oni zdawali sobie wówczas sprawę ze znaczenia topologii w fizyce. W ten sposób radziecki fizyk Wadim Bierieziński na rok przed Kosterlitzem i Thoulessem zrobił faktycznie pierwszy ważny krok w kierunku topologicznych przejść fazowych. Jest wiele innych nazwisk, które można by umieścić obok nazwiska Haldane’a. Tak czy inaczej, wszyscy trzej laureaci są z pewnością ikonicznymi postaciami w tej sekcji fizyki.

Liryczne wprowadzenie do fizyki materii skondensowanej

Wyjaśnienie w przystępnych słowach istoty i znaczenia pracy, za którą przyznano Nobla z fizyki 2016, nie jest łatwym zadaniem. Same zjawiska są nie tylko złożone i w dodatku kwantowe, ale także różnorodne. Nagrodę przyznano nie za jedno konkretne odkrycie, ale za całą listę pionierskich prac, które w latach 70.–80. XX wieku zapoczątkowały rozwój nowego kierunku w fizyce materii skondensowanej. W tym newsie postaram się osiągnąć skromniejszy cel: wyjaśnić na kilku przykładach istota czym jest topologiczne przejście fazowe i dać poczucie, że jest to naprawdę piękny i ważny efekt fizyczny. Historia będzie stanowić tylko połowę nagrody, tej, w której pokazali się Kosterlitz i Thouless. Prace Haldane'a są równie fascynujące, ale są jeszcze mniej wizualne i ich wyjaśnienie wymagałoby bardzo długiej historii.

Zacznijmy od szybkiego wprowadzenia do najbardziej fenomenalnej części fizyki – fizyki materii skondensowanej.

W języku potocznym materia skondensowana występuje wtedy, gdy wiele cząstek tego samego typu łączy się i silnie na siebie wpływa. Prawie każde słowo jest tutaj kluczowe. Same cząstki i prawo interakcji między nimi muszą być tego samego typu. Możesz wziąć kilka różnych atomów, ale najważniejsze jest to, że ten ustalony zestaw jest powtarzany wielokrotnie. Powinno być dużo cząstek; kilkanaście czy dwa to jeszcze nie skondensowane medium. I wreszcie muszą silnie na siebie oddziaływać: pchać, ciągnąć, przeszkadzać sobie, może coś ze sobą wymieniać. Gaz rozrzedzony nie jest uważany za ośrodek skondensowany.

Główne odkrycie fizyki materii skondensowanej: przy tak prostych „zasadach gry” ujawniło nieskończone bogactwo zjawisk i efektów. Taka różnorodność zjawisk nie powstaje wcale z powodu różnorodnego składu - cząstki są tego samego rodzaju - ale w rezultacie spontanicznie, dynamicznie skutki zbiorowe. W rzeczywistości, ponieważ oddziaływanie jest silne, nie ma sensu przyglądać się ruchowi każdego pojedynczego atomu lub elektronu, ponieważ natychmiast wpływa to na zachowanie wszystkich najbliższych sąsiadów, a być może nawet odległych cząstek. Kiedy czytasz książkę, „przemawia” ona do ciebie nie rozsypaniem pojedynczych liter, ale zbiorem połączonych ze sobą słów, przekazuje ci myśl w postaci „zbiorowego działania” liter. Podobnie materia skondensowana „mówi” językiem synchronicznych ruchów zbiorowych, a nie pojedynczych cząstek. Okazuje się, że istnieje ogromna różnorodność tych ruchów zbiorowych.

Obecna Nagroda Nobla docenia pracę teoretyków mającą na celu rozszyfrowanie innego „języka”, którym może „mówić” materia skondensowana – języka wzbudzenia topologicznie nietrywialne(co to jest, poniżej). Odkryto już całkiem sporo specyficznych układów fizycznych, w których powstają takie wzbudzenia, a w wielu z nich laureaci mieli swój udział. Ale najważniejsze nie są tu konkretne przykłady, ale sam fakt, że dzieje się to również w naturze.

Wiele zjawisk topologicznych w materii skondensowanej zostało po raz pierwszy wymyślonych przez teoretyków i wydawało się, że są to po prostu matematyczne figle nieistotne dla naszego świata. Ale potem eksperymentatorzy odkryli prawdziwe środowiska, w których zaobserwowano te zjawiska - i matematyczny żart nagle dał początek nowej klasie materiałów o egzotycznych właściwościach. Eksperymentalna strona tej gałęzi fizyki kwitnie obecnie i ten szybki rozwój będzie kontynuowany w przyszłości, obiecując nam nowe materiały o zaprogramowanych właściwościach i oparte na nich urządzenia.

Wzbudzenia topologiczne

Najpierw wyjaśnijmy słowo „topologiczny”. Nie przejmuj się, że wyjaśnienie będzie brzmiało jak czysta matematyka; związek z fizyką pojawi się w miarę upływu czasu.

Istnieje taka gałąź matematyki - geometria, nauka o figurach. Jeżeli kształt figury ulega płynnej deformacji, wówczas z punktu widzenia zwykłej geometrii sama figura ulega zmianie. Ale figury mają wspólne cechy, które przy płynnym odkształceniu, bez rozdarć i sklejenia, pozostają niezmienione. Jest to charakterystyka topologiczna figury. Najbardziej znanym przykładem charakterystyki topologicznej jest liczba otworów w bryle trójwymiarowej. Kubek i pączek są topologicznie równoważne, oba mają dokładnie jeden otwór, dlatego jeden kształt można przekształcić w drugi poprzez płynną deformację. Kubek i szklanka różnią się topologicznie, ponieważ szklanka nie ma otworów. Aby utrwalić materiał, sugeruję zapoznanie się z doskonałą klasyfikacją topologiczną damskich strojów kąpielowych.

Zatem wniosek: wszystko, co można do siebie zredukować poprzez płynne odkształcenie, uważa się za topologicznie równoważne. Dwie figury, których nie można w siebie przekształcić żadnymi płynnymi zmianami, uważa się za topologicznie różne.

Drugim słowem wymagającym wyjaśnienia jest „podekscytowanie”. W fizyce materii skondensowanej wzbudzeniem jest każde zbiorowe odchylenie od „martwego” stanu stacjonarnego, to znaczy od stanu o najniższej energii. Na przykład, gdy uderzono w kryształ, przebiegła przez niego fala dźwiękowa - jest to wibracyjne wzbudzenie sieci krystalicznej. Wzbudzenia nie muszą być wymuszone, mogą powstać samoistnie pod wpływem niezerowej temperatury. Typowe drgania termiczne sieci krystalicznej to tak naprawdę wiele nałożonych na siebie wzbudzeń wibracyjnych (fononów) o różnych długościach fal. Gdy stężenie fononów jest wysokie, następuje przejście fazowe i kryształ topi się. Generalnie, gdy tylko zrozumiemy, w jakich wzbudzeniach należy opisać dany ośrodek skondensowany, będziemy mieli klucz do jego właściwości termodynamicznych i innych.

Teraz połączmy dwa słowa. Topologicznie przykładem jest fala dźwiękowa trywialny podniecenie. Brzmi to mądrze, ale w swej fizycznej istocie oznacza po prostu, że dźwięk może być tak cichy, jak to pożądane, nawet do całkowitego zaniku. Głośny dźwięk oznacza silne wibracje atomowe, cichy dźwięk oznacza słabe wibracje. Amplituda drgań można płynnie sprowadzić do zera (dokładniej do granicy kwantowej, ale to tutaj nie ma znaczenia), a nadal będzie to wzbudzenie dźwiękowe, fonon. Zwróć uwagę na kluczowy fakt matematyczny: istnieje operacja płynnej zmiany oscylacji na zero - jest to po prostu zmniejszenie amplitudy. To właśnie oznacza, że fonon jest topologicznie trywialnym zaburzeniem.

A teraz włącza się bogactwo skondensowanej materii. W niektórych systemach występują wzbudzenia nie da się płynnie zredukować do zera. Nie jest to fizycznie niemożliwe, ale zasadniczo – forma na to nie pozwala. Po prostu nie ma takiego, wszędzie płynnego działania, które przenosi układ ze wzbudzeniem do układu o najniższej energii. Wzbudzenie w swojej formie jest topologicznie różne od tych samych fononów.

Zobacz jak to się okazuje. Rozważmy prosty układ (nazywa się to modelem XY) - zwykłą kwadratową siatkę, w której węzłach znajdują się cząstki o własnym spinie, które można dowolnie zorientować w tej płaszczyźnie. Przedstawimy plecy strzałkami; Orientacja strzałki jest dowolna, ale długość jest stała. Założymy również, że spiny sąsiednich cząstek oddziałują ze sobą w taki sposób, że najbardziej korzystna energetycznie konfiguracja ma miejsce, gdy wszystkie spiny we wszystkich węzłach są skierowane w tym samym kierunku, jak w ferromagnesie. Konfiguracja ta jest pokazana na rys. zostały 2. Mogą po nim przebiegać fale spinowe - małe falowe odchylenia spinów od ścisłego uporządkowania (ryc. 2, po prawej). Ale to wszystko są zwykłe, topologicznie trywialne wzbudzenia.

Teraz spójrz na rys. 3. Pokazano tutaj dwa zaburzenia o nietypowym kształcie: wir i antywir. Wybierz w myślach punkt na obrazku i przesuń wzrok po okrężnej ścieżce w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara wokół środka, zwracając uwagę na to, co dzieje się ze strzałkami. Zobaczysz, że strzałka wiru obraca się w tym samym kierunku, przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, a strzałka antywiru obraca się w przeciwnym kierunku, zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Teraz zrób to samo w stanie podstawowym układu (strzałka jest generalnie nieruchoma) i w stanie z falą wirową (gdzie strzałka oscyluje nieznacznie wokół wartości średniej). Można sobie także wyobrazić zdeformowane wersje tych obrazów, powiedzmy falę wirową w ładunku w kierunku wiru: tam strzałka również wykona pełny obrót, lekko się kołysając.

Po tych ćwiczeniach staje się jasne, że wszystkie możliwe wzbudzenia są podzielone na zasadniczo różne klasy: czy strzałka wykonuje pełny obrót, okrążając środek, czy nie, a jeśli tak, to w jakim kierunku. Sytuacje te mają różne topologie. Żadna ilość płynnych zmian nie zmieni wiru w zwykłą falę: jeśli obrócisz strzałki, to gwałtownie, przez całą sieć na raz i pod dużym kątem naraz. Wir, jak i antywir, topologicznie chroniony: w przeciwieństwie do fali dźwiękowej nie mogą się po prostu rozpuścić.

Ostatni ważny punkt. Wir różni się topologicznie od zwykłej fali i od antywiru tylko wtedy, gdy strzałki leżą ściśle w płaszczyźnie figury. Jeśli pozwolimy im wprowadzić je do trzeciego wymiaru, wówczas wir będzie można płynnie wyeliminować. Topologiczna klasyfikacja wzbudzeń zależy radykalnie od wymiarów systemu!

Topologiczne przejścia fazowe

Te czysto geometryczne rozważania mają bardzo namacalne konsekwencje fizyczne. Energia zwykłej wibracji, tego samego fononu, może być dowolnie mała. Dlatego w dowolnej temperaturze, niezależnie od tego, jak niska, oscylacje te powstają samoistnie i wpływają na właściwości termodynamiczne ośrodka. Energia topologicznie chronionego wzbudzenia, czyli wiru, nie może spaść poniżej pewnej granicy. Dlatego w niskich temperaturach nie powstają pojedyncze wiry, a zatem nie wpływają na właściwości termodynamiczne układu - przynajmniej tak sądzono do początku lat 70. XX wieku.

Tymczasem w latach 60. XX w. dzięki wysiłkom wielu teoretyków ujawniono problem zrozumienia tego, co dzieje się w modelu XY z fizycznego punktu widzenia. W zwykłym trójwymiarowym przypadku wszystko jest proste i intuicyjne. W niskich temperaturach układ wygląda na uporządkowany, jak na rys. 2. Jeśli weźmiemy dwa dowolne węzły sieci, nawet bardzo odległe, to spiny w nich będą nieznacznie oscylować wokół tego samego kierunku. Jest to, mówiąc relatywnie, kryształ spinowy. W wysokich temperaturach spiny „topią się”: dwa odległe miejsca sieci nie są już ze sobą skorelowane. Pomiędzy obydwoma stanami występuje wyraźna temperatura przejścia fazowego. Jeśli ustawimy temperaturę dokładnie na tę wartość, to układ znajdzie się w szczególnym stanie krytycznym, gdy korelacje nadal istnieją, ale stopniowo, zgodnie z prawem potęgowym, maleją wraz z odległością.

W sieci dwuwymiarowej w wysokich temperaturach występuje również stan nieuporządkowany. Ale w niskich temperaturach wszystko wyglądało bardzo, bardzo dziwnie. Udowodniono ścisłe twierdzenie (patrz twierdzenie Mermina-Wagnera), że w wersji dwuwymiarowej nie ma porządku krystalicznego. Dokładne obliczenia wykazały, że nie jest tak, że go w ogóle nie ma, po prostu maleje wraz z odległością zgodnie z prawem potęgowym – dokładnie tak, jak w stanie krytycznym. Ale jeśli w przypadku trójwymiarowym stan krytyczny występował tylko w jednej temperaturze, to tutaj stan krytyczny obejmuje cały obszar niskiej temperatury. Okazuje się, że w przypadku dwuwymiarowym wchodzą w grę inne wymuszenia, których nie ma w wersji trójwymiarowej (rys. 4)!

Materiały towarzyszące Komitetowi Noblowskiemu opisują kilka przykładów zjawisk topologicznych w różnych układach kwantowych, a także najnowsze prace eksperymentalne mające na celu ich realizację i perspektywy na przyszłość. Ta historia kończy się cytatem z artykułu Haldane'a z 1988 roku. W nim, jakby szukając wymówki, mówi: „ Chociaż jest mało prawdopodobne, aby konkretny model tutaj przedstawiony był fizycznie możliwy do zrealizowania…”. Magazyn 25 lat później Natura publikuje , w którym opisano eksperymentalną implementację modelu Haldane'a. Być może topologicznie nietrywialne zjawiska w materii skondensowanej są jednym z najbardziej uderzających potwierdzeń niewypowiedzianego motta fizyki materii skondensowanej: w odpowiednim systemie urzeczywistnimy każdą spójną ideę teoretyczną, niezależnie od tego, jak egzotyczna może się ona wydawać.

Całe nasze rozumienie procesów zachodzących we Wszechświecie, wyobrażenia o jego strukturze, ukształtowały się na podstawie badań promieniowania elektromagnetycznego, czyli fotonów wszelkich możliwych energii docierających do naszych urządzeń z głębi kosmosu. Obserwacje fotonów mają jednak swoje ograniczenia: fale elektromagnetyczne nawet o najwyższych energiach nie docierają do nas ze zbyt odległych obszarów kosmosu.

Istnieją inne formy promieniowania - strumienie neutrin i fale grawitacyjne. Mogą ci powiedzieć o rzeczach, których instrumenty rejestrujące fale elektromagnetyczne nigdy nie zobaczą. Aby „zobaczyć” neutrina i fale grawitacyjne, potrzebne są zasadniczo nowe instrumenty. Trzej amerykańscy fizycy, Rainer Weiss, Kip Thorne i Barry Barrish, otrzymali w tym roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za stworzenie detektora fal grawitacyjnych i eksperymentalny dowód ich istnienia.

Od lewej do prawej: Rainer Weiss, Barry Barrish i Kip Thorne.

Istnienie fal grawitacyjnych przewiduje ogólna teoria względności i zostało przewidziane przez Einsteina w 1915 roku. Powstają, gdy bardzo masywne obiekty zderzają się ze sobą i generują zaburzenia w czasoprzestrzeni, rozbiegając się z prędkością światła we wszystkich kierunkach od punktu początkowego.

Nawet jeśli zdarzenie, które wygenerowało falę, jest ogromne – na przykład zderzenie dwóch czarnych dziur – wpływ fali na czasoprzestrzeń jest niezwykle mały, dlatego trudno go zarejestrować, co wymaga bardzo czułych instrumentów. Sam Einstein uważał, że fala grawitacyjna przechodząc przez materię wpływa na nią tak słabo, że nie można jej zaobserwować. Rzeczywiście, rzeczywisty wpływ fali na materię jest dość trudny do uchwycenia, ale można zarejestrować skutki pośrednie. Dokładnie tego dokonali amerykańscy astrofizycy Joseph Taylor i Russell Hulse w 1974 roku, mierząc promieniowanie podwójnej gwiazdy pulsarowej PSR 1913+16 i udowadniając, że odchylenie jej okresu pulsacji od obliczonego tłumaczy się utratą energii unoszonej przez fala grawitacyjna. Za to otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1993 roku.

14 września 2015 r. LIGO, laserowe interferometryczne obserwatorium fal grawitacyjnych, po raz pierwszy bezpośrednio zarejestrowało falę grawitacyjną. Zanim fala dotarła do Ziemi, była bardzo słaba, ale nawet tak słaby sygnał oznaczał rewolucję w fizyce. Aby było to możliwe, potrzebna była praca tysięcy naukowców z dwudziestu krajów, którzy zbudowali LIGO.

Weryfikacja wyników piętnastego roku trwała kilka miesięcy, dlatego upublicznione zostały dopiero w lutym 2016 roku. Oprócz głównego odkrycia – potwierdzenia istnienia fal grawitacyjnych – w wynikach kryło się jeszcze kilka innych: pierwszy dowód na istnienie czarnych dziur o średniej masie (20−60 Słońc) oraz pierwszy dowód na to, że mogą się one łączyć .

Dotarcie fali grawitacyjnej do Ziemi zajęło fali grawitacyjnej ponad miliard lat Daleko, daleko poza naszą galaktyką dwie czarne dziury zderzyły się ze sobą po 1,3 miliarda lat - a LIGO opowiedziało nam o tym wydarzeniu.

Energia fali grawitacyjnej jest ogromna, ale amplituda jest niewiarygodnie mała. Odczuwanie tego przypomina mierzenie odległości do odległej gwiazdy z dokładnością do dziesiątych części milimetra. LIGO jest do tego zdolne. Weiss rozwinął tę koncepcję: już w latach 70. obliczył, jakie zjawiska ziemskie mogą zniekształcić wyniki obserwacji i jak się ich pozbyć. LIGO składa się z dwóch obserwatoriów, których odległość wynosi 3002 km. Fala grawitacyjna pokonuje tę odległość w ciągu 7 milisekund, więc dwa interferometry doprecyzowują swoje odczyty w miarę przechodzenia fali.

Dwa obserwatoria LIGO, w Livingston (Luizjana) i Hanford (stan Waszyngton), znajdują się w odległości 3002 km od siebie.

Każde obserwatorium ma dwa czterokilometrowe ramiona wychodzące z tego samego punktu pod kątem prostym do siebie. Wewnątrz panuje niemal idealna próżnia. Na początku i końcu każdego ramienia znajduje się skomplikowany system luster. Przechodząc przez naszą planetę fala grawitacyjna lekko ściska przestrzeń, w której układane jest jedno ramię, a rozciąga drugie (bez fali długość ramion jest dokładnie taka sama). Wiązka laserowa jest wystrzeliwana z celownika ramion, dzielona na dwie części i odbijana w lustrach; Po przekroczeniu dystansu promienie spotykają się na krzyżu. Jeśli dzieje się to jednocześnie, wówczas czasoprzestrzeń jest spokojna. A jeśli jeden z promieni przeszedł przez ramię dłużej niż drugi, oznacza to, że fala grawitacyjna wydłużyła swoją drogę i skróciła drogę drugiego promienia.

Schemat działania obserwatorium LIGO.

LIGO został opracowany przez Weissa (i oczywiście jego współpracowników), Kip Thorne – wiodący na świecie ekspert w teorii względności – przeprowadził obliczenia teoretyczne, Barry Barish dołączył do zespołu LIGO w 1994 roku i przekształcił małą – zaledwie 40 osób – grupę pasjonatów w ogromną międzynarodową współpracę LIGO/VIRGO, dzięki dobrze skoordynowanej pracy jej uczestników, możliwy stał się zasadniczy eksperyment, przeprowadzony dwadzieścia lat później.

Prace nad detektorami fal grawitacyjnych trwają. Po pierwszej zarejestrowanej fali nastąpiła druga, trzecia i czwarta; ten ostatni został „wyłapany” nie tylko przez detektory LIGO, ale także przez niedawno wystrzelony europejski VIRGO. Czwarta fala grawitacyjna, w przeciwieństwie do poprzednich trzech, narodziła się nie w absolutnej ciemności (w wyniku połączenia czarnych dziur), ale przy całkowitym oświetleniu - podczas eksplozji gwiazdy neutronowej; Teleskopy kosmiczne i naziemne również wykryły optyczne źródło promieniowania w obszarze, z którego nadeszła fala grawitacyjna.

Rainera Weissa, Barry’ego Barisha i Kipa Thorne’a

Królewska Szwedzka Akademia Nauk ogłosiła laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2017. Nagrodę otrzymają Rainer Weiss (połowa nagrody), Barry Barish i Kip Thorne, z dopiskiem „za ich decydujący wkład w detektor LIGO i obserwację fal grawitacyjnych”. Oficjalne wręczenie nagród i medali odbędzie się w grudniu, po tradycyjnych prelekcjach. Ogłoszenie zwycięzcy było transmitowane na żywo na stronie internetowej Komitetu Nobla.

Weiss, Thorne i Barish są uznawani za jednych z najbardziej prawdopodobnych kandydatów do Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki od 2016 roku, kiedy w ramach współpracy LIGO i VIRGO wykryto fale grawitacyjne powstałe w wyniku połączenia dwóch czarnych dziur.

Rainer Weiss odegrał kluczową rolę w opracowaniu detektora, ogromnego interferometru o wyjątkowo niskim poziomie szumów. Fizyk rozpoczął podobne prace w latach 70. XX wieku, tworząc małe prototypy systemów w Massachusetts Institute of Technology. Kilka lat później w Caltech – pod kierownictwem Kipa Thorne’a, powstały prototypy interferometrów. Później fizycy połączyli siły.

Schemat obserwatorium grawitacyjnego LIGO

Barry Barish przekształcił małą współpracę pomiędzy MIT i Caltech w ogromny międzynarodowy projekt - LIGO. Naukowiec kierował rozwojem projektu i tworzeniem detektorów od połowy lat 90. XX wieku.

LIGO składa się z dwóch obserwatoriów grawitacyjnych oddalonych od siebie o 3000 kilometrów. Każdy z nich jest interferometrem Michelsona w kształcie litery L. Składa się z dwóch 4-kilometrowych ewakuowanych ramion optycznych. Wiązka lasera jest rozdzielana na dwie składowe, które przechodząc przez rury, odbijają się od ich końców i ponownie łączą. W przypadku zmiany długości ramienia zmienia się charakter interferencji pomiędzy wiązkami, co jest rejestrowane przez detektory. Duża odległość pomiędzy obserwatoriami pozwala dostrzec różnicę w czasie nadejścia fal grawitacyjnych – z założenia, że te ostatnie rozchodzą się z prędkością światła, różnica w czasie nadejścia sięga 10 milisekund.

Dwa detektory LIGO

Więcej o astronomii fal grawitacyjnych i jej przyszłości przeczytasz w naszym materiale „”.

W 2017 roku Nagroda Nobla została podwyższona o milion koron szwedzkich, co oznacza natychmiastowy wzrost o 12,5%. Teraz jest to 9 milionów koron, czyli 64 miliony rubli.

Laureatami Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2016 roku zostali teoretycy Duncan Haldane, David Thouless i Michael Kosterlitz. Do zjawisk tych należy na przykład całkowity efekt Halla: cienka warstwa substancji zmienia swój opór stopniowo wraz ze wzrostem indukcji przyłożonego do niej pola magnetycznego. Ponadto teoria pomaga opisać nadprzewodnictwo, nadciekłość i uporządkowanie magnetyczne w cienkich warstwach materiałów. Co ciekawe, podwaliny pod teorię położył radziecki fizyk Wadim Bierieziński, ale niestety nie dożył nagrody. Więcej na ten temat przeczytacie w naszym materiale „”.

Władimir Korolew

, Pokojową Nagrodę Nobla i Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. Pierwszą Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki przyznano niemieckiemu fizykowi Wilhelmowi Conradowi Roentgenowi „w uznaniu jego niezwykłych zasług dla nauki, wyrażonych w odkryciu niezwykłych promieni, nazwanych później na jego cześć”. Nagroda ta jest przyznawana przez Fundację Nobla i jest powszechnie uważana za najbardziej prestiżową nagrodę, jaką może otrzymać fizyk. Jest wręczana w Sztokholmie podczas corocznej ceremonii odbywającej się 10 grudnia, w rocznicę śmierci Nobla.

Cel i wybór

Do Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki można wybrać nie więcej niż trzech laureatów. W porównaniu z niektórymi innymi Nagrodami Nobla, nominacja i wybór do Nagrody w dziedzinie fizyki to długi i rygorystyczny proces. Dlatego też nagroda z biegiem lat zyskiwała na coraz większym prestiżu i ostatecznie stała się najważniejszą nagrodą z fizyki na świecie.

Laureatów Nagrody Nobla wybiera Komitet Nobla w dziedzinie fizyki, który składa się z pięciu członków wybranych przez Królewską Szwedzką Akademię Nauk. W pierwszym etapie kandydatów zgłasza kilka tysięcy osób. Nazwy te są badane i omawiane przez ekspertów przed ostatecznym wyborem.

Formularze rozsyłane są do około trzech tysięcy osób i zapraszają do zgłaszania swoich kandydatur. Nazwiska nominowanych nie są ogłaszane publicznie przez pięćdziesiąt lat ani nie są przekazywane nominowanym. Listy nominowanych i ich nominatorów są przechowywane w tajemnicy przez pięćdziesiąt lat. Jednak w praktyce niektórzy kandydaci stają się znani wcześniej.

Zgłoszenia są rozpatrywane przez komisję, a lista około dwustu kandydatów wstępnych przekazywana jest wybranym ekspertom w danych dziedzinach. Ograniczają listę do około piętnastu nazwisk. Komisja przedkłada raport z rekomendacjami właściwym instytucjom. Choć nominacje pośmiertne nie są dozwolone, nagrodę można odebrać, jeśli dana osoba zmarła w ciągu kilku miesięcy między decyzją komisji przyznającej nagrodę (zwykle w październiku) a ceremonią w grudniu. Do 1974 r. dozwolone były nagrody pośmiertne, jeśli odbiorca zmarł po ich przyznaniu.

Zasady przyznawania Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki wymagają, aby znaczenie osiągnięcia było „testowane przez czas”. W praktyce oznacza to, że przerwa między odkryciem a nagrodą wynosi zwykle około 20 lat, ale może być znacznie dłuższa. Na przykład połowę Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1983 r. przyznano S. Chandrasekharowi za prace nad strukturą i ewolucją gwiazd, które wykonano w 1930 r. Wadą tego podejścia jest to, że nie wszyscy naukowcy żyją wystarczająco długo, aby ich praca została doceniona. Za niektóre ważne odkrycia naukowe nagroda ta nigdy nie została przyznana, ponieważ odkrywcy zmarli, zanim doceniono wpływ ich pracy.

Nagrody

Laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki otrzymuje złoty medal, dyplom stwierdzający tę nagrodę oraz kwotę pieniężną. Wysokość kwoty pieniężnej uzależniona jest od dochodów Fundacji Nobla w roku bieżącym. W przypadku przyznania nagrody więcej niż jednemu laureatowi, nagroda pieniężna jest dzielona pomiędzy nich po równo; w przypadku trzech laureatów pieniądze można również podzielić na połowę i dwie ćwiartki.

Medale

Medale Nagrody Nobla wybite Myntverket w Szwecji oraz Mennica Norweska od 1902 roku są zastrzeżonymi znakami towarowymi Fundacji Nobla. Każdy medal ma na awersie wizerunek lewego profilu Alfreda Nobla. Medale Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, chemii, fizjologii czy literatury posiadają ten sam awers przedstawiający wizerunek Alfreda Nobla oraz lata jego urodzin i śmierci (1833-1896). Portret Nobla widnieje także na awersie medalu Pokojowej Nagrody Nobla i medalu Nagrody Ekonomicznej, ale z nieco innym wzorem. Wizerunek na odwrocie medalu różni się w zależności od instytucji przyznającej. Odwrotna strona medalu Nagrody Nobla w dziedzinie chemii i fizyki ma ten sam wzór.

Dyplomy

Laureaci Nagrody Nobla otrzymują dyplom z rąk króla Szwecji. Każdy dyplom posiada unikalny projekt opracowany przez instytucję przyznającą dla odbiorcy. Dyplom zawiera obraz i tekst zawierający imię i nazwisko odbiorcy oraz zazwyczaj cytat wyjaśniający, dlaczego otrzymał on nagrodę.

Premia

Laureaci otrzymują także kwotę pieniężną w przypadku otrzymania Nagrody Nobla w formie dokumentu potwierdzającego wysokość nagrody; w 2009 r. premia pieniężna wyniosła 10 mln SEK (1,4 mln USD). Kwoty mogą się różnić w zależności od tego, ile pieniędzy Fundacja Nobla może przyznać w tym roku. Jeżeli w danej kategorii zostanie wyłonionych dwóch zwycięzców, stypendium zostanie równo podzielone pomiędzy beneficjentów. W przypadku trzech laureatów komisja przyznająca nagrodę ma możliwość podziału dotacji na równe części lub przyznania jednemu z laureatów połowy kwoty, a dwóm pozostałym po jednej czwartej.

Ceremonia

Komisja oraz instytucje pełniące funkcję komisji selekcyjnej nagrody ogłaszają nazwiska laureatów zazwyczaj w październiku. Nagroda zostaje następnie wręczona podczas oficjalnej ceremonii odbywającej się co roku w ratuszu w Sztokholmie 10 grudnia, w rocznicę śmierci Nobla. Laureaci otrzymują dyplom, medal oraz dokument potwierdzający nagrodę pieniężną.

Laureaci

Notatki

„Co otrzymują laureaci Nagrody Nobla” . Pobrano 1 listopada 2007 r. Zarchiwizowano 30 października 2007 r. w Wayback Machine
„Proces selekcji Nagrody Nobla”, Encyklopedia Britannica, dostęp: 5 listopada 2007 (schemat blokowy).
Często zadawane pytania nobelprize.org
Wkład Finna Kydlanda i Edwarda Prescotta w dynamiczną makroekonomię: spójność czasowa polityki gospodarczej i siły napędowe cykli koniunkturalnych (nieokreślony) (PDF). Oficjalna strona Nagrody Nobla (11 października 2004). Pobrano 17 grudnia 2012 r. Zarchiwizowano 28 grudnia 2012 r.
Gingras, Yves. Wallace, Matthew L. Dlaczego coraz trudniej przewidzieć laureatów Nagrody Nobla: Analiza bibliometryczna nominowanych i laureatów nagród z chemii i fizyki (1901–2007) // Naukometria. - 2009. - nr 2. - s. 401. - DOI:10.1007/s11192-009-0035-9.
Nagroda szlachetna (angielski) // Chemia przyrodnicza: czasopismo. - DOI:10.1038/nchem.372. - Bibcode: 2009NatCh...1..509..
Toma Riversa. Laureaci Nagrody Nobla 2009 odbierają wyróżnienia | Europa| język angielski (nieokreślony) . .voanews.com (10 grudnia 2009). Pobrano 15 stycznia 2010 r. Zarchiwizowano 14 grudnia 2012 r.
Wysokość Nagrody Nobla (nieokreślony) . Nobelprize.org. Pobrano 15 stycznia 2010 r. Zarchiwizowano 3 lipca 2006 r.
„Nagroda Nobla – Nagrody” (2007), w Encyklopedia Britannica, dostęp 15 stycznia 2009, od Encyklopedia Britannica online:
Medalj – ett tradycyjny hantverk(Szwedzki). Myntverket. Pobrano 15 grudnia 2007 r. Zarchiwizowano 18 grudnia 2007 r.
„Pokojowa Nagroda Nobla” zarchiwizowana 16 września 2009 r. w Wayback Machine, „Linus Pauling: nagrody, wyróżnienia i medale”, Linus Pauling i natura wiązania chemicznego: historia dokumentalna, Biblioteka Valley Uniwersytetu Stanowego Oregonu. Źródło 7 grudnia 2007 r.