Πως δημιουργούνται οι πιο εξωτικές καταστάσεις της ύλης;

1

7-1_foto

Από τον Γιάννη Μπρούζο

Στους σχετικά άγνωστους στο ευρύ κοινό David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane και J. Michael Kosterlitz απονεμήθηκε πριν από λίγες μέρες το νόμπελ Φυσικής 2016. Στους φυσικούς επιστήμονες τα ονόματα αυτά είναι διάσημα με τον τρόπο που συνήθως αρχικά γίνονται γνωστά τα ονόματα μεγάλων επιστημόνων: δίνουν την ονομασία τους σε σημαντικές ανακαλύψεις, νόμους και φαινόμενα που οι μελετητές της φύσης συναντούν διαρκώς μπροστά τους. Ενώ όμως ο Νεύτωνας, για παράδειγμα, είναι άρρηκτα συνδεδεμένος με τους ομώνυμους νόμους της μηχανικής και της βαρύτητας που διατύπωσε και τους οποίους συναντάμε παντού, υπάρχουν και μελετητές που ψάχνουν σε πιο εξωτικά τοπία της φύσης που δεν είναι άμεσα ορατά από πολλούς.

Τέτοια εξωτικά τοπία είναι οι καταστάσεις της ύλης που παίρνουν περίεργα ονόματα όπως υπεραγωγιμότητα ή υπερρευστότητα και συνδέονται άμεσα με κβαντικά φαινόμενα. Υπεραγώγιμο είναι ένα υλικό που εμφανίζει μηδενική ηλεκτρική αντίσταση, δηλαδή το ηλεκτρικό ρεύμα περνάει αδιάσπαστο από μέσα του χωρίς την ανάγκη ηλεκτρικής πηγής. Υπέρευστο είναι ένα υλικό που έχει φέρει μηδενική αντίσταση (μηδενικό ιξώδες είναι ο τεχνικός όρος) στην παραμόρφωση του και έτσι μπορεί να κυλάει παντού χωρίς να χάνει κινητική ενέργεια.

Τέτοιες εξωτικές καταστάσεις όμως δεν θα μπορούσαν να εμφανίζονται έτσι εύκολα. Σε αυτό  ακριβώς το ζήτημα εντόπισαν οι φετινοί νομπελίστες τις προσπάθειές τους. Και έκαναν μια φοβερή επανάσταση στον τρόπο που βλέπουμε ορισμένα από τα πιο θαυμαστά φαινόμενα της φυσικής: τις αλλαγές φάσεις. Οι κλασσικές φάσεις της ύλης που ξέρουμε -στερεά, υγρή, αέρια- μετατρέπονται η μία στην άλλη με αλλαγές στην θερμοκρασία και την πίεση. Αυτές οι αλλαγές φάσης έχουν αναλυθεί διεξοδικά και έχουν βρεθεί τα κρίσιμα σημεία στα οποία συμβαίνει η μεταμόρφωση. Όμως έχουν ένα κοινό χαρακτηριστικό. Αν μετρήσω τοπικά την πυκνότητα -παραδείγματος χάριν- του υλικού μπορώ αμέσως να δω σε τι φάση είναι την κάθε στιγμή.

Ε, η κβαντική φυσική δεν θα μπορούσε να συμβιβαστεί με μια τόσο …προσβάσιμη κλασσική θέαση των αλλαγών φάσης. Και μέσα από το έργο των τριών επιστημόνων ήρθε να συναντήσει έναν εξαιρετικά περίπλοκο κλάδο των μαθηματικών: την Τοπολογία. Αλίμονο αν παραμυθένιες καταστάσεις της ύλης δεν προέκυπταν μέσα σε εξωτικά τοπία.  Στην τοπολογία τα χαρακτηριστικά των σχημάτων που εξετάζει (πχ ο αριθμός των τρυπών σε ένα σχήμα) αλλάζουν απότομα όταν παραμορφώνουμε τα σχήματα και όχι σταδιακά όπως στην κλασσική γεωμετρία.

Στην βραδιά του Ερευνητή στο Πολυτεχνείο πριν λίγες μέρες, μαθηματικοί επιχειρούσαν να εξηγήσουν τις τοπολογικές έννοιες μέσα από ναυτικούς κόμπους.

Θα ήταν αδύνατο να επιχειρήσουμε να αναλύσουμε τόσο σύνθετες έννοιες μέσα σε λίγες γραμμές. Ας αρκεστούμε να πούμε πως η εισαγωγή της τοπολογίας στη φυσική των αλλαγών φάσεων και των κβαντικών καταστάσεων, ήταν η ίδια μια αλλαγή φάσης της επιστημονικής προσέγγισης. Και η “φάση” στην οποία βρισκόμαστε με μια έκρηξη αναζήτησης εξωτικών καταστάσεων και μεταφοράς σε αυτές μετατρέπει καθημερινά όλα τα πεδία της τεχνολογίας υλικών αλλά και των κβαντικών υπολογιστών που μπορούν να αποθηκεύσουν πληροφορία σε τέτοιες καταστάσεις όχι με τον κλασσικό τρόπο του “μηδέν ή ένα” “κρύο ή ζεστό”.

Ας μου επιτραπεί μόνο μια προέκταση -χωρίς αναγωγισμούς βεβαίως-: η αλλαγή φάσης είναι αυτό που αναζητούμε πολλοί στη ζωή μας και στην κοινωνία. Δεν ξέρω αν οι “εξωτικές” καταστάσεις στις οποίες θέλουμε ίσως κάποιοι να φτάσουμε, να έχουν την βάση τους στην αλλαγή φάσης του τρόπου σκέψης μας. Αν όμως κάτι μας διδάσκει η εισαγωγή της τοπολογίας στη μελέτη των αλλαγών φάσης στην ύλη, είναι να επιχειρήσουμε να χρησιμοποιήσουμε πολύ πιο ευφάνταστα εργαλεία για να το πετύχουμε.

*Το κείμενο δημοσιεύθηκε στο ένθετο του Νόστιμον Ήμαρ στον Δρόμο της Αριστεράς, το Σάββατο 15.10.2016

Κάθε Σάββατο κυκλοφορεί στα περίπτερα το έντυπο Νόστιμον Ήμαρ, ένθετο στον Δρόμο της Αριστεράς.

dromos-n

Σχετικά Με Το Συντάκτη

Γιάννης Μπρούζος

Διδάκτωρ Φυσικής, διπλωματούχος πιάνου. Από όλους τους ρόλους μου αγαπώ αυτούς του μαθητή και του δασκάλου. Με εξοργίζει η αδικία. Με μαγεύει η δημιουργία και ο αγώνας. Ενθουσιάζομαι και παθιάζομαι πολύ. Υπερβολικά πολύ.

1 Comment

  1. Ζούμε μαγικές στιγμές. Η Φυσική και τα Μαθηματικά είναι τόσο κοντά όσο ήταν και στον 17ο-18ο αιώνα.

Αφήστε Ένα Σχόλιο

3 × two =

Simple Share Buttons