Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki przypominają nam o... matematyce

Jedną z ciekawszych dziedzin matematyki jest topologia. Jest to, w odróżnieniu od wielu innych jej działów, dziedzina która może dużo nam powiedzieć o otaczających nas obiektach fizycznych.

Topologia bada bowiem cechy obiektów (takich jak figury geometryczne, bryły i obiekty wielowymiarowe), które nie ulegają zmianie nawet przy największym ich zdeformowaniu. Jeśli zastanawiacie się, czy jedną bryłę można przekształcić w inną, nie naruszając jej struktury (nie robiąc w niej dodatkowej dziury albo nie rozrywając jej powierzchni), to topologia jest w stanie na to pytanie odpowiedzieć.

Chcecie ciekawego przykładu? Obejrzyjcie filmik, w którym Jaś Fasola zakłada strój kąpielowy nie zdejmując spodni. To jest właśnie topologia w działaniu.

Jak widzicie, części ubrania Jasia Fasoli ulegają rozciągnięciu, ale w żaden sposób nie są naruszone cechy, które je definiują (np. liczba nogawek, etc). Przykład żartobliwy, ale dobrze oddaje transformacje, które bada topologia.

Co to jednak ma wspólnego z tegorocznymi laureatami Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki?

Tegoroczni laureaci to właściwie dwa niezależne zespoły badacze. Połowa nagrody przyznana została Davidowi J. Thoulesowi z Uniwersytetu Waszyngtońskiego, a druga połowa tej dwójce fizyków: Duncanowi M. Haldane'owi oraz J. Michaelowi Kosterlitzowi.

Zajmowali się oni badaniem dziwnych (czasami używane jest słowo: egzotycznych) stanów materii - takich jak supercienkie warstwy atomów lub płyny, które wykazują tzw. nadciekłość. Płyny nadciekłe potrafią, po zamieszaniu, krążyć w nieskończoność, bez pozornie żadnego dopływu energii.

W badaniach tak ciekawych zjawisk pomogła fizykom matematyka - z topologią na czele właśnie. Dzięki temu wprowadzono takie pojęcia jak topologiczna ciecz kwantowa. Ciecz ta może wykazywać różne cechy, których nie sposób ocenić, patrząc na poszczególne jej cząsteczki - podobnie jak nie sposób stwierdzić, czy filiżanka ma uszko, badając jedynie jej dno.

Tegoroczni nagrodzeni położyli teoretyczne podwaliny pod badanie tak egzotycznych stanów materii. Było to już w latach 80-tych, jednak przewidywania te czekały na potwierdzenie eksperymentalne aż do XXI wieku. Dziś dwuwymiarowe powłoki (podobne do grafenu), topologiczne ciecze kwantowe, topologiczne nadprzewodniki i metale to najbardziej „gorąca” gałąź fizyki. Przede wszystkim dlatego, że łączy ona teorię z praktyką, a stworzone materiały często mają bezpośrednie praktyczne zastosowanie.