Совсем недавно были объявлены лауреаты Нобелевской премии по физике за 2017 год. Одним из них стал американский физик Кип Торн, неоднократно посещавший ФИАН и поддерживающий деловые и дружеские отношения с некоторыми из наших ученых. ФИАН-информ попросил главного научного сотрудника ФИАН Игоря Дмитриевича Новикова рассказать о К. Торне не только как об ученом, но и близком друге.

    Так случилось, что я знаю Кипа, вместе работал и дружил с ним, более пятидесяти лет, и сейчас хочу поделиться своими мыслями о нем как о человеке и ученом.

    Мы впервые встретились в 1965 году на конференции по общей теории относительности в Лондоне, где я выступил с основным докладом. Вот как сам Кип описывает нашу первую встречу:

    «После доклада Новикова я присоединился к группе энтузиастов, собравшейся вокруг него, и обнаружил к моему вящему удовольствию, что мой русский немного лучше, чем его английский, и моя помощь в переводе была востребована в ходе дискуссии. Когда толпа растаяла, мы с Новиковым продолжили нашу беседу в частном порядке. Так началась наша дружба».

Игорь Дмитриевич Новиков (слева) и Кип Трон (справа). ФИАН, 2012 год
© ФИАН

    Впоследствии мы публиковали совместные работы, были редакторами переводов наших книг соответственно на русский и английский языки, работали в научных группах друг друга. Работы Кипа заслужили самое широкое международное признание. Список его членства в различных Академиях, Научных обществах, также как и список его научных наград занимает несколько страниц. Он иностранный член Российской академии наук. Научная группа Кипа Торна в Кальтеке является одной из сильнейших в мире. Факт, что кто-то работал в этой группе является очень сильной рекомендацией среди физиков. Список научных достижений Кипа Торна в физике и астрофизике замечателен по своей важности и по широте. Он простирается от космологии до сингулярности в черных дырах и до фундаментальных аспектов теории и практики физических измерений. Кип Торн является одним из создателей физики черных дыр.

    Он является Крестным Отцом и активным участником эксперимента LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) проекта. Эта работа и привела его в конце концов к Нобелевский премии. По рекомендации Торна я в свое время переписывался с сенатором США в поддержку этого гравитационно-волнового проекта.

    Среди наших совместных с Торном работ я хотел бы выделить создание релятивистской теории дисковой аккреции газа на черные дыры в двойных звездных системах и работу, связанную с физикой машины времени в общей теории относительности.

    В связи с этой последней работой я приведу следующее воспоминание К. Торна:

    «Летом 1987 года моей жене позвонил Ричард Прайс. Он услышал, что я работаю над теорией машины времени, испугался что я немного не в себе и впал в старческое слабоумие».

    К счастью все скоро разъяснилось и работа продолжалась. Одной из отличительных особенностей К. Торна является то, что он никогда не стеснялся признаться в своих ошибках. В книге "Черные дыры и складки времени" мы часто встречаем такие выражения: "Я был неправ". "В 1971 году я был слишком глуп". "Я себя почувствовал ужасно глупым" и др. Чувство юмора ему никогда не изменяло.

    Нам было легко и приятно работать вместе потому что, как писал Торн: «Игорь Дмитриевич Новиков со многих точек зрения напоминал меня самого».

    В заключение я хочу рассказать о событиях, которые самым ярким образом раскрывают человеческие качества К. Торна.

    В 1990 году я имел серьезные проблемы с сердцем. Успешная операция в Москве была маловероятна. Кип Торн пригласил меня к себе в Пасадену США, организовал консультации с лучшими специалистами в госпитале Лос Анжелеса. Оказалось, что ситуация очень серьезная и операция нужна немедленно. Валюты у меня совсем не было. Кип Торн вложил свои средства и написал многим физикам и астрофизикам всего мира. Необходимые средства были быстро собраны и операция прошла успешно. Когда сознание начало возвращаться ко мне после четырехчасовой операции, первое что я осознал был голос К. Торна, повторявшего (по-русски!): "Игорь, все хорошо, все хорошо". Хотя моя дочь находилась рядом, я помню, что воспринял вполне естественным, что именно голос Кипа вернул меня к жизни.

    Дружба К. Торна подарила мне вторую жизнь.

    В эти дни празднования научного успеха К. Торна я хочу еще раз поблагодарить его и поздравить весь научный мир с тем, что у нас есть такие ученые.

АНИ «ФИАН-информ»

3 октября Нобелевский комитет Королевской шведской академии наук присудил премию в области физики "За решающий вклад в <создание> детектора LIGO и открытие гравитационных волн" американским ученым, членам LIGO/VIRGO Collaboration, Райнеру Вайссу (Rainer Weiss), Барри Бэришу (Barry C. Barish) и Кипу Торну (Kip S. Thorne).

    Открытие гравитационных волн предсказывал еще Альберт Эйнштейн в 1916 году. В 2016 году в LIGO объявили, что интерферометры их обсерватории обнаружили гравитационные волны 14 сентября 2015 года. С тех пор ученые коллаборации объявляли, что зарегистрировали гравитационные волны, возникшие в результате слияния двух черных дыр, еще три раза. В последний раз это было 14 августа 2017 года, в ходе совместных наблюдений коллабораций LIGO и VIRGO.

    Примечательно, что Кип Торн неоднократно бывал в ФИАНе и рассказывал о сути исследований гравитационных волн (одно из интервью во время визита доступно по ссылке).

Райнер Вайсс (Rainer Weiss)	Барри Бэриш (Barry C. Berish)
Кип Торн (Kip S. Thorne)

    Говоря про исследования гравитационных волн, следует упомянуть академика Владислава Ивановича Пустовойта и советского ученого-физика Михаила Евгеньевича Герценштейна, предложивших в 1962 г. идею возможности использования интерферометра Майкельсона для обнаружения гравитационных волн. Эта физическая идея положена в основу проекта LIGO, а также других подобных проектов: TAMA, VIRGO, GEO 600.

    Существенный вклад в исследования гравитационных волн внес и академик Владимир Борисович Брагинский, российский ученый-физик. С 1992 г. научная группа под руководством Владимира Борисовича работала в рамках того же самого международного научного проекта лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO. Вполне вероятно, что он мог бы стать одним из номинантов премии этого года, если бы не скончался в 2016 году.

    В настоящее время в составе международных коллабораций по поиску и исследованию гравитационных волн работают группы российских ученых из МГУ и ИПФ РАН.

Официальный пресс-релиз Нобелевского комитета по физике

Научно-популярный и научный доклады о Нобелевской премии по физике – 2017.

  4 октября 2016 года вышло сообщение Нобелевского комитета по физике о присуждении Нобелевской премии по физике «За теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи» трем американским ученым британского происхождения Дэвиду Таулессу^[1], Дункану Халдейну^[2] и Майклу Костерлицу^[3].

ФИАН-информ обратился за комментарием к старшему научному сотруднику Отделения теоретической физики ФИАНа Андрею Георгиевичу Семенову.

    Если прочитать пресс-релиз, выпущенный Нобелевским комитетом по физике^[4], то можно заметить, что номинированная работа логически разделена на два направления, объединенных общей тематикой – исследованием влияния топологических эффектов на поведение различных физических систем.

    Первую часть, связанную с работами Д. Таулесса и М. Костерлица, занимают исследования фазовых переходов в двумерных системах и механизма возникновения дальнего порядка в них.

    Достаточно длительное время, до начала 70-х годов считалось, что в системах низкой размерности дальний порядок не существует, и, как следствие, отсутствуют и такие явления, как Бозе-конденсация, сверхпроводимость и т.п. Отсутствие дальнего порядка в низкоразмерных системах объяснялось их высокой неустойчивостью: любая флуктуация в двумерной системе приводила к разрушению дальнего порядка.

    На самом же деле, оказалось, что такое мнение ошибочно. Было показано, что в двумерных системах вместо дальнего порядка существует квазидальний порядок с корреляциями, затухающими алгебраическим образом (как степенная функция  от расстояния). Причем при некоторой температуре в таких системах происходит фазовый переход. Выше этой температуры характер затухания корреляций меняется с медленного степенного на быстрый экспоненциальный.

    Д. Таулессу и М. Костерлицу удалось не просто показать существование этих дальних корреляций и фазового перехода, но и обосновать механизм последнего. Свои исследования ученые проводили, в частности, на примере двумерной сверхтекучей  жидкости. Важную роль в такой системе играют т.н. вихри – возбуждения в сверхтекучей жидкости, отвечающие бездиссипативному вихревому течению вокруг некоторых точек. Оказалось, что, при низких температурах вихри рождаются связанными парами, причем в паре вихри вращаются в противоположных направлениях. И поэтому, в двумерной системе в целом, алгебраический дальний порядок (и явление сверхтекучести) не разрушается наличием таких вихрей. При превышении же некоторой пороговой температуры происходит т.н. распаривание вихрей: они рождаются уже по одиночке, в случайном порядке (см. рисунок ниже). В результате они разрушают тот самый дальний порядок в сверхтекучей жидкости.

Фазовый переход Костерлица – Таулесса.
Используя топологию, Костерлиц и Таулесс описали топологический фазовый переход в тонком слое сильно охлажденного вещества. В холодном состоянии (слева) формируются вихревые пары, которые при температуре фазового перехода внезапно разделяются (справа), что приводит к разрушению алгебраического дальнего порядка
(источник иллюстрации: пресс-релиз Нобелевского комитета)

    Кстати говоря, идея о существовании такого фазового перехода в двумерных материалах была высказана несколько ранее работ Таулесса и Костерлица нашим соотечественником – ученым Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау АН СССР (РАН) Вадимом Львовичем Березинским, умершим в 1981 году. Указав на существование в двумерных системах дальнего алгебраического порядка при низких температурах и его разрушении при высоких, он отмечал фактически неоспоримое существование между ними некоего фазового перехода. Однако никаких положений о характере и механизмах такого фазового перехода им сделано не было. В научном пресс-релизе, представленном Нобелевским комитетом, отдельно отмечается его роль:

    «За год до работ Костерлица и Таулесса Вадим Березинский … также указывал на важность вихревых возбуждений в XY-модели, но не сделал вывода, что они могут привести к возникновению фазового перехода при конечной температуре…»

    Помня о его основополагающем вкладе в эти работы, отечественные физики именуют описанный фазовый переход переходом Березинского – Костерлица – Таулесса.

    Вторая часть нобелевских исследований посвящена выявлению связи топологических свойств волновой функции носителей заряда в системе с ее транспортными свойствами.

    Д. Таулесс и Д. Халдейн на протяжение ряда лет занимались вопросами теоретического описания квантового эффекта Холла. В ходе исследований Д. Таулессу удалось показать, что квантование холловской проводимости двумерной электронной системы в магнитном поле напрямую связано с топологическими свойствами волновой функции носителей заряда. Как написано в пресс-релизе, эти исследования явились «новаторской работой, перевернувшей предыдущие взгляды, в том числе на то, как квантовая механика объясняет почему материалы проводят электричество».

    В частности Д. Халдейн рассмотрел систему, в которой волновая функция носителей заряда обладает нетривиальными топологическими свойствами, что приводит к существованию эффекта аналогичного квантовому эффекту Холла, однако в отсутствии внешнего магнитного поля. Недавно подобная система была реализована экспериментально.

    В настоящее время все большую популярность набирают различные материалы, свойства которых могут изменяться самым нетривиальным образом, благодаря топологическим эффектам. На сегодняшний день широко известны топологические изоляторы и топологические сверхпроводники. Большое значение придается исследованию топологических свойств материалов для создания квантовых компьютеров. И во многом этим поискам способствовали работы трех американских ученых – Дэвида Таулесса, Дункана Халдейна и Майкла Костерлица.

Беседовала Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»

____________________________________________

^[1]   David J. Thouless, University of Washington, USA ↑

^[2]   F. Duncan M. Haldane, Princeton University, USA  ↑

^[3]   J. Michael Kosterlitz, Brown University, USA ↑

^[4]   С пресс-релизом, посвященном исследованиям американских ученых, удостоенных Нобелевской премии – 2016, можно ознакомиться в двух форматах: научно-популярном и в форме научного доклада     ↑

*) Источник фотографии реверса медали Нобелевской премии по физике: официальный сайт Нобелевского комитета