Валерий Чолаков
Нобеловите награди (32) (Учени и открития (1901–1982))

Фазовите преходи

Превъплъщенията на течния хелий и свръхпроводниците са само някои от примерите за фазови преходи на веществото. Към този род явления можем да причислим изпаряването, втечняването, промените в магнетизма при нагряване и още много други. Критичните състояния на веществото и преходите от една фаза в друга се срещат много широко и се изучават отдавна. През 30-те години редица учени търсеха пътища за определяне на общите закономерности на критичните явления от термодинамична гледна точка. Особени успехи постигна Лев Ландау. В 1937 г., едва 29-годишен, той създаде обща теория на фазовите преходи от втори род, при които не се наблюдават резки промени в плътността, концентрацията и топлоотделянето. Най-общо той разглеждаше прехода като промяна в степента на симетрия на системата. Например в един магнит частиците могат да имат различна ориентация или да бъдат подредени, от което зависи външната проява на магнитните свойства на тялото.

При математичното описание на подобни кооперативни системи от частици за основа се приема опростен математичен модел. Това е двумерна решетка (т.нар. решетка на Исинг), в която под внимание се вземат само взаимодействията между съседни частици. Но въпреки всички отклонения от физичната реалност невинаги можеше да се намери аналитично решение за повелението на системата при фазовия преход. Експерименталните данни показваха, че са налице редица общи закономерности и няма значение дали се изследват магнити или течности. Липсата обаче на възможности за описание на процесите постепенно намали интереса на специалистите към тази област, което продължи няколко десетилетия.

Нова епоха в изследванията настъпи през 1971 г., когато младият Кенет Уилсън от Корнелския университет реши да приложи принципно различен математичен апарат към изучаването на критичните явления. 35-годишният изследовател пръв осъзна, че към системите от частици, каквито са различните тела, може да се приложи теорията на полето. В неговия метод за „ренормализация на теорията на групите“ той раздели задачата на подпроблеми, които са по-лесни за решаване.

Използването на идеи от квантовата теория на полето даде възможност да се работи с моментите на движение на частиците вместо с техните координати.

Теоретичните изследвания на Уилсън доведоха до качествен скок в разглеждането на фазовите преходи и тази обширна област на познанието направи бърз прогрес. Още по-интересно се оказа обаче прилагането на неговата „решетъчно-калибровъчна“ теория в квантовата механика. Физиците започнаха да разглеждат взаимодействията между частиците, приписвайки им координати, съответствуващи на квантовите числа и включвайки ги в различни Исингови решетки. Така изследователите на физиката на микросвета получиха нови възможности за описване на явленията.

В крайна сметка Кенет Уилсън хвърли мост между статистическата и квантовата механика. Неговите работи, отначало чисто теоретични, и то в област, намирала се дълго време в сянка, сега намират приложения навсякъде — от изучаването на горивните процеси и електронната индустрия до описанието на кварките и космологичните явления. Някои учени сравняват теорията на Уилсън за фазовите преходи с теорията на Коперник по нейната способност да обяснява Вселената.

Този забележителен научен принос, след като стана очевиден за всички, получи и оценката на професорите от Шведската академия на науките. През 1982 г. Кенет Уилсън бе удостоен с Нобеловата награда по физика за неговите работи във връзка с критичните явления и фазовите преходи.