Дункан Холдейн: Теоретик, который тридцать лет ждал признания

В 1980-х годах он опубликовал работы, которые настолько противоречили общепринятым представлениям физики конденсированного состояния, что ему с трудом удавалось даже добиться их публикации. Три десятилетия спустя, когда другие ученые наконец создали материалы, демонстрирующие странные состояния материи, которые он моделировал только на бумаге, Дункан Холдейн получил звонок из Стокгольма. «Моя работа была своего рода "спящей"», — сказал он позже с характерной скромностью. — «Она не стала чем-то значимым, пока ее не развили другие».

Необычное происхождение физика

Фредерик Дункан Майкл Холдейн родился 14 сентября 1951 года в Лондоне. Он был сыном врача британской армии, который познакомился с матерью Холдейна, Людмилой Ренко, студенткой-медиком из Словении, во время службы недалеко от границы Югославии и Австрии после Второй мировой войны. Это происхождение позже позволило Холдейну получить двойное гражданство — британское и словенское (последнее было предоставлено в 2019 году). Он учился в школе Святого Павла в Лондоне, а затем поступил в Крайст-колледж в Кембридже, где получил степень бакалавра и в 1978 году докторскую степень. Его научным руководителем был Филип Уоррен Андерсон, физик, который уже получил Нобелевскую премию за работы по неупорядоченным и магнитным системам — подходящий наставник, учитывая, куда в итоге привела карьера Холдейна.

Теоретизирование материи, которую еще никто не видел

Начало карьеры Холдейна прошло в Институте Лауэ — Ланжевена во Франции с 1977 по 1981 год, затем в Университете Южной Калифорнии, а с 1986 года — в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Именно в этот период, в основном в 1980-х годах, он выполнил теоретическую работу, которая определила его карьеру: применение топологии — раздела математики, изучающего свойства, сохраняющиеся при непрерывной деформации (классический пример: кофейная чашка и пончик эквивалентны, так как у каждого ровно одно отверстие) — для описания магнитного поведения одномерных цепочек атомов и удивительных фаз, в которые может переходить материя при экстремально низких температурах. То, что стало известно как «гипотеза Холдейна», предсказывало фундаментальное различие в поведении цепочек атомов с целым и полуцелым квантовым спином — различие, которое в то время казалось почти слишком странным, чтобы быть физически реальным. Согласно отчету Принстона о его нобелевском годе, Холдейн «с трудом публиковал» эту работу, потому что она противоречила устоявшимся предположениям в этой области; потребовались годы, чтобы другие физики синтезировали материалы со свойствами, описанными его уравнениями, и значимость этой идеи стала неоспоримой.

Принстон и признание

Холдейн присоединился к Принстонскому университету в 1990 году, в конечном итоге заняв должность профессора физики имени Юджина Хиггинса, а затем профессора физики имени Шермана Фэрчайлда — должность, которую он занимает до сих пор. Его исследования на протяжении десятилетий расширялись, охватывая жидкости Латтинжера, дробный квантовый эффект Холла, анализ спектра запутанности, топологические изоляторы и изоляторы Черна, а также геометрические описания квантовых эффектов Холла с использованием того, что специалисты называют унимодулярными пространственными метрическими тензорными полями. Это техническая область, но все это расширяет одну и ту же фундаментальную идею: форма математики, лежащей в основе физической системы, а не только ее энергия, может определять совершенно новые фазы материи. В 1996 году он был избран членом Королевского общества, а десятилетием ранее — членом Американского физического общества, а также Американской академии искусств и наук, Американской ассоциации содействия развитию науки и Британского института физики. В 1993 году он получил премию Оливера Э. Бакли по физике конденсированного состояния, в 2012 году — медаль Дирака, а в 2017 году был избран в Национальную академию наук США.

Звонок из Нобелевского комитета

В октябре 2016 года Холдейн разделил Нобелевскую премию по физике с Дэвидом Таулессом из Вашингтонского университета и Дж. Майклом Костерлицем из Брауновского университета «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи». Шведская королевская академия наук отметила, что эта работа открыла совершенно новую область исследований, связывающую абстрактную математику с реальными материалами, что, как отметил нобелевский комитет, в конечном итоге может привести к созданию новых поколений электронных компонентов и квантовых компьютеров. Холдейн получил традиционный ранний утренний звонок из Швеции около 4:30 утра по времени Принстона и, по его собственным словам, был удивлен и благодарен — не в последнюю очередь потому, что большая часть фундаментальной теоретической работы была проделана десятилетиями ранее, тихо, до того как экспериментальная физика догнала ее, и сама область, по его описанию, с тех пор «взорвалась», когда ученые научились создавать материалы с экзотическими свойствами, которые он когда-то мог моделировать только на бумаге. Он живет в Принстоне, штат Нью-Джерси, со своей женой Одиль Бельмон.

Почему Дункана называют гением

Аргумент в пользу гениальности здесь настолько ясен, насколько это позволяет физика: Холдейн с помощью чистой математики предсказал физические явления, которые экспериментаторы смогли наблюдать и подтвердить лишь десятилетия спустя, после создания материалов и методов, которых еще не существовало, когда он проводил теоретическую работу. Это близко к классическому определению теоретической физики в ее самом мощном проявлении — правильное описание природы до того, как она сама себя проявила. Честная оговорка заключается в том, что Холдейн не работал в изоляции: он разделил премию с двумя другими физиками, чья параллельная работа (переходы Костерлица — Таулесса) образует взаимосвязанный корпус теории, и реальное влияние этой области — практические топологические материалы и устройства — по собственному признанию Холдейна, все еще находится на относительно ранних стадиях, это скорее обещание, чем готовая технология. Другими словами, его гениальность лучше всего описать как необычайно дальновидное математическое моделирование, а не как немедленное изобретение, меняющее мир, — это вклад, ценность которого научное сообщество осознало лишь тридцать лет спустя.

Наследие

Топологическая концепция Холдейна с тех пор стала одной из самых активных областей физики конденсированного состояния, лежащей в основе текущих исследований материалов, которые однажды могут стать основой для более надежных квантовых компьютеров и маломощной электроники, именно потому, что топологически защищенные состояния устойчивы к тем мелким возмущениям, которые нарушают обычную материю. Его карьера является необычайно прямой иллюстрацией того, как теоретическая физика подтверждается на своих собственных условиях: идея, которую в 1983 году считали слишком странной для публикации, к 2016 году была признана достойной высшей научной награды.