Ve vyhlašování úterní ceny za fyziku na sebe pozornost strhlo pečivo. Švédský fyzik Thors Hans Hansson, člen Nobelovy komise, se totiž pokusil vysvětlit letošní ceny s pomocí jednoho sladkého šneku, toroidální koblihy a preclíku. Jedlé pomůcky ne úplně pomohly, vysvětlit zaskočeným novinářům v sále (a všem nám ostatním laikům) práci letošních držitelů ceny totiž není vůbec jednoduché.
Takže začněme u těch jednodušších faktů, které zvládneme vstřebat všichni: Nobelova cena za fyziku letos zůstane za Atlantickým oceánem. Jejími nositeli jsou David Thouless (polovina ceny), Duncan Haldane a J. Michael Kosterlitz (každý po čtvrtině). Všichni tři jsou narozeni ve Velké Británii (Thouless a Kosterlitz ve Skotsku) a všichni pracovali na rovnicích popisu chování exotických stavů hmoty a změn jejich vlastností.
Bohužel tady už začínají potíže. Všichni tři vědci jsou totiž specialisté na pokročilou matematiku a její aplikaci na fyzikální problémy. Specializovali se především na tzv. topologii, tedy obor, který se zjednodušeně řečeno snaží popisovat plynulé změny v prostoru. A tady je vhodná chvíle pomoci si Hanssonovým pečivem: topologie se snaží například popsat, co se stane, když preclík ohnete, zmáčknete či jinak zdeformujete. Ale pozor, bez toho, abyste ho silou roztrhli: topologie sleduje jen tzv. spojité deformace. Třeba to, jak můžeme preclík stlačit tak, abyste z něj udělali kouli, ale už ne, jak to vypadá, když ho roztrháte a naházíte kachnám na rybníce.
Nám se to nemusí zdát, ale topologové mají spoustu zajímavé práce. Celou řadu problémů lze redukovat na topologické otázky - a letošní laureáti dokázali některé z nich vyřešit.
Ploché překvapení
V tomto ohledu se jako první do dějin fyziky zapsala dvojice David Thouless a Michael Kosterlitz. V 70. letech přišli s objevem, který možná nevypadá jako něco příliš zajímavého, ale ve skutečnosti otevřel nové dveře ke zkoumání pevných látek. Zaměřili se na tenké placičky, které lze kvůli rozměrům v podstatě považovat za dvojrozměrné.
Podmínky v takových materiálech mohou být velmi výrazně odlišné od toho, na co jsme zvyklí z běžného života. Důvod je na pohled prozaický: atomy se prostě chovají různě, když je jich pohromadě hodně, či naopak málo. Mnohem silněji se pak projevují třeba jevy, které známe jinak jen z kvantového světa a dochází k existenci zcela nečekaných jevů: v tenké vrstvě supravodivé kapaliny například může vzniknout vír, který se bez zásahu zvenčí mohl točit donekonečna.
Thouless a Kosterlitz se zaměřili na to, co se stane, když se výrazně změní teplota takové tenké „placky“ (některých) krystalických materiálů. Předchozí teorie předpokládaly, že v takových materiálech panuje ohromný chaos, ale Thouless a Kosterlitz spočítali, že by to tak být nemělo. I v „plochých“ materiálech dochází k dramatickým přechodům látek z jednoho stavu do druhého - tedy dějům, jejichž příkladem může být tání ledu (z pevné látky je tekutá s úplně jinými vlastnostmi). Oba fyzikové se ovšem nezabývali přechodem z pevné fáze do tekuté, ale supravodivostí, což je schopnost vodit elektrický proud beze ztrát. Jejich výpočty odpověděly na otázku, jak takové dramatické změny v tenkých materiálech probíhají a proč.
Stavěli samozřejmě na práci mnoha fyziků před nimi, ale jejich práce především inspirovala celou řadu odborníků po nich. A dnes se jejich poznatek považuje za jeden z nejdůležitějších ve fyzice pevných látek ve 20. století. Ale David Thouless zdaleka nekončil.
Trik jako od kouzelníka
V 80. letech dokázal spolu s Duncanem Haldanem vysvětlit jeden velmi záhadný jev, který fyzikům zamotal hlavu. Jde o tzv. kvantový Hallův jev, který na pohled vypadá jako kouzelný trik. Dochází k němu v tenkých vrstvách vodivých materiálů za nízkých teplot. Takový materiál se pak chová trochu pomateně, protože jeho vodivost nabývá jen některých určitých hodnot a žádných jiných (a navíc nezávisí na jiných vlastnostech materiálu). Je to jako by se vám rychlost auta měnila třeba jen v násobcích čísla deset - jeli byste 10, 20, 30... atd. a nikdy žádnou rychlostí mezi tím.
Jak se ukázalo, k vysvětlení tohoto jevu se skvěle hodí topologie, protože je to výsledek postupných změn, které vedou ke skokové změně vlastností materiálu. Můžete si to představit tak, že materiál je vlastně preclíkové těsto, ve kterém vznikne jedna díra, pak dvě díry, tři atp. Nikdy to nebude 2¹/2 díry.
Náš krátký popis nedělá práci oceněných tak úplně čest, situace byla v mnoha ohledech složitější a jejich práce mnohostrannější (Haldane třeba předpověděl ještě další, zcela nečekané jevy), ale shrnout jejich význam je poněkud jednodušší: velmi výrazně totiž pomohla nastartovat teoretický, experimentální a nakonec i aplikovaný výzkum materiálů se zcela nezvyklými a nečekanými vlastnostmi. Materiálů, které mnohdy zaslouží jinak hodně devalvovanou předponu „super“. Vždyť třeba nejpevnější známý materiál vůbec, grafen, je vlastně příklad takové dvourozměrné „placky“, v daném případě tvořené atomy uhlíku. Existuje proto zcela reálná naděje, že by oceněné předpovědi mohly vést k celé řadě praktických aplikací například v elektronice či materiálových vědách.
Nobel 2016
Neoficiálními favority letošního udílení byli vedoucí projektu LIGO, který zachytil gravitační vlny, jejichž existenci před sto lety předpověděl Albert Einstein. Tento objev podle expertů otevírá nové možnosti výzkumu kosmu, zejména při studiu černých děr a neutronových hvězd. Může rovněž přinést víc informací o vzniku vesmíru.
Laureáti Nobelovy ceny za fyziku kromě prestižní medaile a diplomu si rozdělí i osm milionů švédských korun (22,5 milionu Kč). Slavnostní předání ocenění se uskuteční v den výročí úmrtí Alfreda Nobela 10. prosince.
Loni Nobelovu cenu za fyziku získali Japonec Takaaki Kadžita a kanadský vědec Arthur McDonald, kteří potvrdili proměnlivost neutrin a dokázali tím, že tyto elementární částice mají hmotnost.
Fyzika přišla na řadu jako druhý obor, v pondělí 3. října už totiž byla udělena cena za medicínu, kterou získal japonský biolog Jošinori Ósumi za vysvětlení toho, jak se naše tělo v případě potřeby „požírá“. Ve středu 5.října bude oznámen vítěz ceny za chemii, v pátek Nobelova cena za mír a příští pondělí za ekonomii. Datum ohlášení ceny za literaturu zatím nebylo oficiálně stanoveno, nicméně tiskové agentury s odvoláním na člena Švédské akademie Pera Wästberga uvedly, že její držitel bude vyhlášen až ve čtvrtek 13. října.
Informace: Do článku jsme doplnili více podrobností o práci letošních laureátů.
