Теория Гинзбурга-Ландау и топологические структуры
Широкий спектр фазовых переходов, от формирования магнитных узоров в материалах до перехода металлов в сверхпроводящее состояние, можно качественно описать с помощью единой системы, известной как теория Гинзбурга-Ландау [1, 2]. Эта система обычно предполагает, что ключевая величина в её описаниях, называемая параметром порядка, имеет тривиальную топологию. Но теперь Сун Кан и Джозеф Мачейко из Университета Альберты, Канада, показали, что параметры порядка могут иметь скрытую топологическую структуру [3].
Исследователи разработали расширение теории Гинзбурга-Ландау, которое включает такую скрытую топологию, раскрывая особенности, отсутствующие в исходной системе.
Симметрия и топология
Симметрия является фундаментальным понятием в физике. Она проявляется во многих формах, но особенно важна при изучении того, как взаимодействия бесчисленных микроскопических составляющих приводят к макроскопическому порядку в системах конденсированных сред.
Например, ниже критической температуры обычный магнит имеет чистую намагниченность, потому что его спины выравниваются в одном направлении, нарушая вращательную симметрию. Если магнит нагреть выше этой температуры, он теряет свою намагниченность, поскольку спины указывают в случайных направлениях, восстанавливая вращательную симметрию.
Теория Гинзбурга-Ландау — это универсальный феноменологический инструмент для анализа таких фазовых переходов. Вкратце, рассматривается свободная энергия (величина, управляющая состоянием равновесия системы) как гладкая функция параметра порядка (величина, различающая разные фазы).
Открытие топологических структур
После открытия квантового эффекта Холла в 1980-х годах [4] получила распространение другая, казалось бы, отличная математическая интерпретация классификации материи: топологические характеристики. Эти анализы могут дать квантованные инварианты — величины, такие как так называемые числа витков, которые эффективно берут на себя роль параметра порядка.
Топологические оценки тесно связаны с глобальными геометрическими фазами, такими как так называемые фазы Берри [5], которые возникают, когда одно следует за собственным состоянием медленно (адиабатически) вокруг петли в пространстве параметров.
За последние два десятилетия стало ясно, что симметрия и топология не так различны, как считалось изначально. Присутствие симметрий может действовать как условие, гарантирующее существование обобщённых топологических инвариантов. Эта концепция легла в основу открытия топологических изоляторов, которые демонстрируют индуцированные симметрией инварианты, и топологических металлов, в которых есть точки касания электронных зон, вокруг которых можно определить числа витков [6].
Астрономия: запуск обсерватории Веры Рубин
Сегодня обсерватория Веры Рубин, финансируемая Национальным научным фондом США и Министерством энергетики США, представляет образцы изображений и видео, полученных в ходе первого тестового запуска. Расположенная высоко в чилийских Андах, обсерватория предназначена для захвата наиболее масштабного вида ночного неба, когда-либо зарегистрированного, — создания обширного покадрового 3D-фильма Вселенной.
Обсерватория проведёт 10-летний обзор под названием Legacy Survey of Space and Time (LSST). Только в первый год она соберёт больше данных, чем было собрано за всю историю астрономии. Представленные сегодня изображения были получены всего за 10 часов тестовых наблюдений, в ходе которых обсерватория запечатлела миллионы галактик и звёзд Млечного Пути, а также тысячи астероидов.
«Эта обсерватория представляет собой гигантский скачок в нашей способности исследовать космос и раскрывать тайны Вселенной», — сказала Кэти Тёрнер из Министерства энергетики США на пресс-конференции «Первый взгляд», состоявшейся сегодня.
Обсерватория Веры Рубин, названная в честь учёного, который предоставил ранние доказательства существования тёмной материи, расположена в одном из самых привилегированных мест для астрономии в мире — на вершине Серро-Пачон в Чили, предлагая исключительно чистое небо, низкий уровень атмосферной турбулентности, сухой воздух и небольшое световое загрязнение.
С первичным зеркалом диаметром 8,4 метра обсерватория Рубин не будет самым большим телескопом в мире, но она будет непревзойденной по способности быстро наблюдать большие участки неба. Каждый из её снимков запечатлеет область, эквивалентную 45 лунам — для сравнения, поле зрения космической обсерватории JWST составляет чуть меньше полной луны.
Кроме того, телескоп движется быстро и с небольшими колебаниями, что позволяет ему за несколько секунд переместиться на новое место наблюдения — двигаясь в 10–100 раз быстрее, чем любой существующий телескоп. Это сочетание скорости и поля зрения позволит обсерватории покрывать всё Южное небо каждые три-четыре ночи.
Для сбора такого количества изображений обсерватория оснащена самой большой камерой, когда-либо построенной, — 3,2-гигапиксельной камерой размером с автомобиль, для отображения которой в полном объёме потребуется 400 ультра-HD-телевизионных экранов. С таким разрешением камера будет выдавать 20 терабайт данных каждую ночь — объём информации, сопоставимый со всеми когда-либо написанными книгами.
Повторное полное покрытие неба создаст ультравысококачественную покадровую запись ночного неба, раскрывающую меняющийся космический ландшафт. Астрономы ожидают обнаружить широкий спектр переходных событий, таких как взрывы сверхновых, пульсирующие звёзды и проходящие кометы или астероиды.
Среди первых обнародованных изображений — завораживающе красивая картина туманностей Лагуна и Трифид, расположенных в Млечном Пути на расстоянии 5000 и 4000 световых лет от Земли соответственно. Снимок стал результатом сочетания почти 700 изображений, которые обсерватория Рубин сделала чуть более чем за семь часов наблюдений.