Чудеса двумерного мира
Весь мир уже облетела картинка, на которой представитель Нобелевского комитета, объясняя суть награжденных работ, держит в руках глиняный шарик, кофейную чашку с дыркой в ручке и бублик. С точки зрения непосвященных, все это объекты разных форм. Есть, однако, такой взгляд на вещи, который усматривает в них кое-что общее. Взгляд этот называется «топологическим» (от «топос» - место). Наука топология изучает объекты с точки зрения тех мест в них, которые остаются неизменными при изменении формы этих объектов – например, при растягивании, кручении и т.п. При таком подходе чашка и шарик сходны, потому что из глиняного шарика путем кручения-верчения можно сделать чашку. А чашка и бублик топологически сходны, потому что у обоих есть одна дырка, поэтому их тоже можно превратить друг в друга. А вот были бы у чашки две дырки, она была бы топологически сходна не с бубликом, а с оправой для очков, у которой тоже дырок две. Оказывается, такое «топологическое родство» всегда меняется такими скачками: одна дырка, две и так далее.
В 1980-х годах физики заметили, что т.н. квантовый эффект Холла тоже обнаруживает такие резкие скачки. Этот эффект состоит в том, что электрический ток в тонком плоском слое проводника между двумя полупроводниками, помещенными в сильное магнитное поле при низких температурах, меняется – при изменении этого поля – резкими скачками. И вот Давид Тулесс предположил, что тут тоже работает топология, а именно – все электроны этого проводящего слоя образуют некий коллектив, некую «жидкость», но жидкость особую, которая меняет свое состояние резкими («квантовыми») скачками.
При исходном значении магнитного поля электроны соединяются одним образом; когда сила поля растет, этот вид соединения остается неизменным; но по достижении полем некой более высокой силы все электронные связи скачком перестраиваются в другой тип, и потом это явление повторяется: поле растет, тип электронных связей до поры до времени остается неизменным, а потом – раз! и квантовым скачком перестраивается в третий тип. Это похоже на топологический переход от предметов с одной дыркой к предметам с двумя, с тремя - и так далее - дырками.
Поэтому Тулесс назвал коллектив электронов с такими свойствами «топологической квантовой жидкостью». А в 1988 году Дункан Халдейн теоретически показал, что в аналогичное состояние должны переходить также электроны тонкого двумерного слоя полупроводника даже в отсутствии магнитного поля, просто при очень низкой температуре. И в 2014 году это предсказание было подтверждено экспериментально.
Тот же Халдейн (еще в 1982 году) теоретически предсказал, что при очень низких температурах одномерная цепь атомов магнитного вещества должна проявлять необычные свойства: в одних условиях электроны этих атомов должны вести себя как то, что позднее стало называться «топологической квантовой жидкостью» (то есть эти электроны будут менять свои магнитные свойства коллективно и скачками), а в других условиях они будут вести себя как обычные электроны.
В физике есть название для резких переходов вещества из одного состояния в другое (например, из состояния воды в состояния льда или пара) – они называются «фазовыми переходами» и объясняются разрывом или образованием нового типа связей между атомами. Но работы Тулесса и Халдейна показали, что в двумерных и одномерных системах при низких температурах и сильных внешних магнитных полях могут происходить фазовые переходы другой природы – топологической, то есть вызванные скачкообразным изменением топологии (грубо говоря, тем самым переходом из состояния «одна дырка» в состояние «две дырки» и т.п.).
И тут выяснилось, что к этой же категории явлений относится и теоретически открытая Костерлицем и Тулессом – еще в 1970-х годах – возможность фазового перехода тонких двумерных слоев вещества в состояние сверхпроводимости и сверхтекучести. Там тоже имеет место «топологический скачок» - т.н. «КТ – переход» (по фамилиям авторов): при чуть более высокой температуре соседние атомы образуют вихреподобные группы, которые соединяются попарно; а при понижении температуры связи в таких парах скачком распадаются.
Так возникла новая область физики твердого тела – «твердые тела в топологических состояниях». Многие физики считают, что новые свойства, проявляемые телами в этих состояниях, окажется возможным использовать для создания сверхпроводников, работающих при комнатных температурах, электронных приборов с новыми возможностями и даже, быть может, квантовых компьютеров. Видимо, Нобелевский комитет разделяет эти надежды. Впрочем, и Нобелевский комитет может питать ложные надежды. Дал же он в 1907 году премию Иоханнесу Фибигеру за открытие червяка, который, якобы, вызывает рак у животных. Червяк был, но к раку отношения, увы, не имел. А какие были надежды!
**********************************************************************************************
Картина приобретает резкость
В начале 1980-х годов ученые впервые «прочитали» генетический «текст» молекул ДНК, взятых у людей с разных континентов. Оказалось, что ДНК всех не-африканцев имеют огромную сходную часть, очень близкую к геному современных африканцев. Эти открытия подкрепили гипотезу о том. что все современные люди произошли от древних Гомо сапиенс, некогда живших в Африке. Археологические находки позволили изучить скелеты, черепа и зубы этих древних людей. Оказалось, что первые существа, имевшие анатомические и другие признаки Гомо сапиенс, появились в Африке примерно 200 тысяч лет назад (и произошли от еще более древних, предшествовавших им, африканских гоминидов). А за пределами Африки, как показали те же находки, существа вида Гомо сапиенс начали появляться примерно 50 тысяч лет назад. Эти открытия легли в основу теории «Исхода из Африки», согласно которой все современное человечество (за пределами Африки) произошло от одной группы Гомо сапиенс, вышедшей примерно 50 тысяч лет назад из Африки и постепенно размножившейся и расселившейся по всем континентам (сменив живших там до того неандертальцев и т.н. «денисовцев».
Однако в последующие годы были сделаны открытия, не укладывавшиеся в эту схему. В Израиле, на хребте Кармель, были обнаружены стоянки Гомо сапиенс возрастом 90-120 тысяч лет. В Саудовской Аравии были найдены изощренные каменные орудия примерно того же возраста. А в Китае в 2015 г. были найдены зубы Гомо сапиенс возрастом 80-120 тысяч лет. Все это противоречило теории однократного исхода наших предков из Африки и толкало к мысли, что таких исходов могло быть несколько, растянутых во времени на десятки тысяч лет. Было и другое возможное объяснение, согласно которому израильские и саудовские находки означали, что небольшие группы Гомо сапиенс действительно покидали Африку и раньше основного «Исхода», но не продвинулись далеко и вымерли в местах, где позднее были найдены их следы, не дав никакого продолжения (что касается китайских находок, то они в последние годы стали вызывать сомнения ученых своей неизменной сенсационностью).
Эти споры требовали новых исследований, и сразу три большие группы генетиков предприняли массовое изучение ДНК достаточно большого числа людей. Группа датского ученого Виллерслью собрала генетические данные 83 коренных австралийцев и 25 жителей Новой Гвинеи. Другая группа (98 ученых под руководством эстонца Метспалу) изучила 483 генома людей, принадлежащих к 148-ми народам и племенам Европы и Азии (а также нескольких африканцев и австралийцев). И наконец, группа американца Рейха провела столь же точный и полный анализ 300 геномов, взятых у представителей 142 различных племен и народов. В сумме эти исследования позволили получить самый полный и самый точный на сегодня свод данных о сходстве и различии современных людей. К какому же выводу они привели?
Все три группы независимо друг от друга пришли к одному и тому же выводу: все современное человечество (вне Африки) произошло от одной-единственной группы людей, покинувшей Африку 50-80 тысяч лет назад. Только в Новой Гвинее группа Метспалу нашла 2% людей, чьи гены частично восходят к более древним временам, порядка 140 тысяч лет, но какие Гомо сапенс передали им эти гены, откуда они пришли и куда делись, пока не ясно. (Интересно, что в геноме тех же 2% новогвинейцев была еще раньше обнаружена другая примесь – следы генома денисовцев. А в геноме денисовцев совсем недавно были найдены следы древней – порядка 150 тысяч лет – ДНК какой-то группы Гомо сапиенс. Не является ли все это звеньями одной и той же загадки?).
Интересно также, что попутно, изучая собственно африканские геномы, ученые обнаружили, что расщепление человечества на различные группы началось уже в Африке. Так, предки нынешних племен ХойСан откололись от остальных африканских Гомо сапиенс уже около 200-т тысяч лет назад, т.е. почти с момента становления нашего вида, и в Исходе из Африки не участвовали). «Под занавес» ученые ответили также на вопрос, почему наши предки вообще совершили этот судьбоносный Исход. Опираясь на компьютерные расчеты, они заключили, что это было вызвано произошедшим в то время глубоким изменением африканского климата. Но об этом, собственно, говорили и раньше.
Итак, картина нашего прошлого из несколько размытой стала много более резкой. Но окончательная это резкость или же, как это уже не раз бывало в прошлом, дальнейшие поиски опять поставят эту картину под сомнение?
Будущее покажет.
Рафаил Нудельман
"Окна", 27.10.2016