Филип Андерсон

Филип Андерсон — американский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике 1977 года (совместно с Джоном Ван Флеком и Невиллом Моттом) за фундаментальные теоретические исследования электронной структуры магнитных и неупорядоченных систем. Андерсон внёс определяющий вклад в физику конденсированного состояния, теорию локализации, сверхпроводимость и спонтанное нарушение симметрии. Его работы заложили основы для понимания сложных квантовых систем и оказали влияние на развитие физики элементарных частиц и статистической механики.

Биография

Ранние годы и образование

Филип Уоррен Андерсон родился 13 декабря 1923 года в Индианаполисе (штат Индиана, США). Его отец, Гарри Уоррен Андерсон, был профессором фитопатологии в Университете Иллинойса, мать — домохозяйкой. В 1940 году Андерсон поступил в Гарвардский университет, где изучал физику и математику. В 1943 году, во время Второй мировой войны, он прервал обучение и поступил на службу в Военно-морские силы США, где работал над разработкой радиолокационных систем. После войны он вернулся в Гарвард и в 1949 году защитил докторскую диссертацию под руководством Джона Ван Флека, посвящённую теории уширения спектральных линий.

Научная карьера

С 1949 по 1984 год Андерсон работал в Bell Laboratories (Мюррей-Хилл, Нью-Джерси), где занимал должность руководителя отдела теоретической физики. В 1967–1975 годах он также был профессором Кембриджского университета (Великобритания), а с 1975 года — профессором Принстонского университета (США). В 1984 году он вышел на пенсию, но продолжал активную научную деятельность до конца жизни.

Андерсон был членом Национальной академии наук США (1967), Американской академии искусств и наук (1963), Лондонского королевского общества (1980) и других научных обществ. Он скончался 29 марта 2020 года в Принстоне (штат Нью-Джерси) в возрасте 96 лет.

Основные научные достижения

Локализация Андерсона

В 1958 году Андерсон опубликовал работу «Absence of Diffusion in Certain Random Lattices» («Отсутствие диффузии в некоторых случайных решётках»), в которой впервые теоретически обосновал явление локализации электронов в неупорядодоченных системах. Он показал, что при достаточно сильном беспорядке в кристаллической решётке волновая функция электрона перестаёт быть распространяющейся (делокализованной) и становится локализованной в пространстве. Это явление, получившее название локализации Андерсона, объясняет переход металл-диэлектрик в аморфных материалах и лежит в основе теории фазовых переходов в неупорядодоченных средах.

Теория сверхпроводимости

В 1962 году Андерсон совместно с Джоном Робертом Шриффером разработал теорию сверхпроводимости в системах с сильным кулоновским взаимодействием. Он также внёс вклад в понимание эффекта Джозефсона (1962) и предложил механизм спаривания электронов в сверхпроводниках с магнитными примесями. В 1972 году Андерсон сформулировал концепцию «спинового стекла» — состояния, в котором магнитные моменты атомов заморожены в случайной ориентации, что привело к созданию теории спиновых стёкол.

Спонтанное нарушение симметрии

В 1963 году Андерсон опубликовал работу «Plasmons, Gauge Invariance, and Mass» («Плазмоны, калибровочная инвариантность и масса»), в которой показал, что в сверхпроводниках спонтанное нарушение калибровочной симметрии приводит к возникновению массы у фотона (эффект Хиггса). Этот результат предвосхитил механизм Хиггса, позже использованный в Стандартной модели физики элементарных частиц для объяснения масс W- и Z-бозонов. Андерсон также ввёл понятие «голдстоуновского бозона» и «андерсоновского бозона» в контексте нарушения симметрии.

Теория высокотемпературной сверхпроводимости

В 1987 году, после открытия высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), Андерсон предложил модель резервуарной сверхпроводимости (resonating valence bond theory, RVB), объясняющую механизм сверхпроводимости в купратах. Согласно этой модели, в недопированном состоянии купраты являются изоляторами с сильными спиновыми корреляциями, а при допировании образуются «резонирующие валентные связи», которые приводят к сверхпроводимости. RVB-теория остаётся одной из наиболее влиятельных, хотя и спорных, гипотез в физике ВТСП.

Другие работы

Андерсон внёс вклад в теорию квантовых фазовых переходов, теорию неупорядоченных систем (включая теорию перколяции), физику полупроводников, теорию магнетизма (в том числе антиферромагнетизма) и теорию квантовых вычислений. Он также известен своими работами по философии науки, в частности, критикой редукционизма и защитой концепции «эмерджентности» (появления новых свойств на сложных уровнях организации материи).

Критика и полемика

Андерсон был известен своей резкой критикой некоторых направлений физики, в частности, теории струн и космологии. В 1999 году он опубликовал статью «More is Different» («Больше — это другое»), в которой утверждал, что редукционистский подход (сведение сложных явлений к фундаментальным законам) не способен объяснить эмерджентные свойства сложных систем. Он также выступал против чрезмерного увлечения математическими моделями в ущерб экспериментальным данным.

Награды и признание

• Нобелевская премия по физике (1977) — совместно с Джоном Ван Флеком и Невиллом Моттом.
• Национальная медаль науки США (1982).
• Премия Вольфа по физике (1985).
• Медаль Дирака (1978).
• Премия Дэнни Хайнемана в области математической физики (1975).
• Иностранный член Лондонского королевского общества (1980).

Влияние на науку

Работы Андерсона оказали фундаментальное влияние на физику конденсированного состояния, теорию неупорядодоченных систем и физику высокотемпературной сверхпроводимости. Его концепция локализации стала основой для понимания квантовых фазовых переходов в неупорядодоченных средах, а идеи о спонтанном нарушении симметрии нашли применение в физике элементарных частиц. Андерсон также считается одним из основоположников теории сложных систем и эмерджентности.

Интересные факты

• Андерсон был известен своим острым умом и склонностью к полемике. Он часто критиковал коллег за недостаток физической интуиции и чрезмерное увлечение формализмом.
• В 1960-х годах он совместно с Пьером-Жилем де Женом и другими физиками разработал теорию жидких кристаллов.
• Андерсон был одним из первых, кто применил методы теории поля к физике конденсированного состояния.
• Его книга «Concepts in Solids» (1963) стала классическим учебником по физике твёрдого тела.

Источники

• Anderson, P. W. (1958). «Absence of Diffusion in Certain Random Lattices». Physical Review, 109(5), 1492–1505.
• Anderson, P. W. (1963). «Plasmons, Gauge Invariance, and Mass». Physical Review, 130(1), 439–442.
• Anderson, P. W. (1972). «More is Different». Science, 177(4047), 393–396.
• Anderson, P. W. (1987). «The Resonating Valence Bond State in La2CuO4 and Superconductivity». Science, 235(4793), 1196–1198.
• Нобелевская лекция Ф. Андерсона (1977). «Local Moments and Localized States».
• Биография Ф. Андерсона на сайте Нобелевского комитета.
• «Philip W. Anderson: A Life in Physics» (2020), Physics Today, 73(6), 60–61.