Пол Джозеф Стайнхардт: Теоретический физик и космолог

Введение

Американский физик-теоретик (род. 1952)

Пол Джозеф Стейнхардт (род. 25 декабря 1952) — американский физик-теоретик, чьи основные исследования посвящены космологии и физике конденсированного состояния. В настоящее время он является профессором наук имени Альберта Эйнштейна в Принстонском университете, где преподает на факультетах физики и астрофизических наук. Стейнхардт наиболее известен разработкой новых теорий происхождения, эволюции и будущего Вселенной. Он также хорошо известен исследованием новой формы материи, известной как квазикристаллы, которые до его совместного открытия первого известного природного квазикристалла в музейном образце считались существующими только как искусственные материалы. Он является автором двух научно-популярных книг на эти темы. «Бесконечная Вселенная: За гранью Большого взрыва» (2007), написанная в соавторстве с Нилом Тюроком, описывает ранние трудности в оспаривании общепринятой теории Большого взрыва и последующую разработку отскоковых или циклических теорий Вселенной, которые в настоящее время исследуются и тестируются. «Второй вид невозможного: Необыкновенные поиски новой формы материи» (2019) рассказывает историю квазикристаллов, начиная с его разработки этой концепции вместе со студентом Довом Левином и заканчивая экспедицией на Дальний Восток России для извлечения фрагментов метеоритов, содержащих природные квазикристаллические зерна, образовавшиеся миллиарды лет назад.

Образование и карьера

Родился в 1952 году в семье Хелен и Чарльза Штайнхардтов, Пол Штайнхардт — второй из четырех детей. Он вырос в Майами, штат Флорида, где учился в старшей школе Корал Гейблс и одновременно посещал занятия в местном университете. В 1974 году Штайнхардт получил степень бакалавра наук по физике в Калифорнийском технологическом институте, а в 1978 году — степень доктора философии по физике в Гарвардском университете, где его научным руководителем был Сидни Коулман.

Инфляционная космология

Начиная с начала 1980-х годов, Штайнхардт был соавтором основополагающих работ, которые помогли заложить основы инфляционной космологии. Медленная инфляция и генерация зародышей для галактик: в 1982 году Штайнхардт и Андреас Альбрехт (и независимо от них, Андрей Линде) построили первые инфляционные модели, способные ускорить расширение Вселенной настолько, чтобы объяснить наблюдаемую гладкость и плоскостность Вселенной, а затем "плавно завершить" расширение до более умеренного, наблюдаемого сегодня. В работе Альбрехта и Штайнхардта впервые было отмечено влияние трения Хаббла на поддержание инфляции в течение достаточно длительного периода времени ("эффект медленного скатывания"), что послужило прототипом для большинства последующих инфляционных моделей. Трение Хаббла сыграло ключевую роль в работе Джеймса Бардина, Штайнхардта и Майкла С. Тернера, опубликованной в 1983 году, в которой впервые был предложен надежный, релятивистски инвариантный метод для вычисления того, как квантовые флуктуации во время инфляции могут естественным образом генерировать почти масштабно-инвариантный спектр флуктуаций плотности с небольшим наклоном – свойства, которые впоследствии были подтверждены наблюдениями космического микроволнового фона как характеристики нашей Вселенной. Флуктуации плотности являются зародышами, вокруг которых в конечном итоге формируются галактики. Параллельные вычисления, выполненные несколькими другими группами, привели к аналогичным выводам, хотя и с использованием менее строгих методов. Вечная инфляция и мультивселенная: в 1982 году Штайнхардт представил первый пример вечной инфляции. Впоследствии было показано, что бесконечная инфляция является общей чертой инфляционных моделей, приводящей к мультивселенной – распаду пространства на бесконечное множество областей, охватывающих бесконечный спектр исходов, а не на одну гладкую и плоскую Вселенную, как первоначально предполагалось. Хотя некоторые космологи впоследствии приняли концепцию мультивселенной, Штайнхардт последовательно выражал обеспокоенность тем, что она полностью уничтожает предсказательную силу теории, которую он помог создать. Поскольку инфляционная теория приводит к мультивселенной, допускающей любой возможный исход, утверждал Штайнхардт, мы должны заключить, что инфляционная теория на самом деле ничего не предсказывает. Отпечаток гравитационных волн на космическом микроволновом фоне: в 1993 году Роберт Криттенден, Рик Дэвис, Дж. Р. Бонд, Г. Эфстатиу и Штайнхардт провели первые расчеты полного отпечатка гравитационных волн на B-моде температурных карт и на поляризации микроволнового фонового излучения. Несмотря на его критику этой идеи, значительный вклад Штайнхардта в теорию инфляции был признан в 2002 году, когда он разделил премию Дирака с Аланом Гутом из MIT и Андреем Линде из Стэнфорда. Проблема маловероятности: в 2013 году Анна Ижаш, Авраам Лёб и Штайнхардт добавили к критике, опубликовав широко обсуждаемую серию статей, в которых утверждалось, что инфляционная модель гораздо менее способна объяснить нашу Вселенную, чем считалось ранее. Согласно их анализу результатов спутника "Планк" 2013 года, вероятность получения Вселенной, соответствующей наблюдениям после периода инфляции, меньше, чем один к гугольплексу. Штайнхардт и его команда назвали этот результат "проблемой маловероятности". В этих статьях также показано, что данные спутника "Планк" исключают исторически считавшиеся простейшими инфляционными моделями, а оставшиеся инфляционные модели требуют большего количества параметров, более тонкой настройки этих параметров и более маловероятных начальных условий.

Beginning in the early 1980s, Steinhardt co authored seminal papers that helped to lay the foundations of inflationary cosmology. Slow roll inflation and Generation of the seeds for galaxies: In 1982, Steinhardt and Andreas Albrecht (and, independently, Andrei Linde) constructed the first inflationary models that could speed up the expansion of the universe enough to explain the observed smoothness and flatness of the universe and then "gracefully exit" to the more modest expansion observed today. The Albrecht Steinhardt paper was the first to note the effect of Hubble friction in sustaining inflation for a sufficiently long period (the "slow roll" effect), setting the prototype for most subsequent inflationary models. Hubble friction played a critical role in the 1983 paper by James Bardeen, Steinhardt and Michael S. Turner who were the first to introduce a reliable, relativistically gauge invariant method to compute how quantum fluctuations during inflation might naturally generate a nearly scale invariant spectrum of density fluctuations with a small tilt, properties later shown by observations of the cosmic microwave background to be features of our universe. The density fluctuations are seeds about which galaxies eventually form. Contemporaneous calculations by several other groups obtained similar conclusions using less rigorous methods. Eternal inflation and the multiverse: In 1982, Steinhardt presented the first example of eternal inflation. Neverending inflation was eventually shown to be a generic feature of inflationary models that leads to a multiverse, the break up of space into an infinite multitude of patches spanning an infinite range of outcomes instead of the single smooth and flat universe, as originally hoped when first proposed. Although some cosmologists would later come to embrace the multiverse, Steinhardt consistently expressed his concern that it utterly destroys the predictive power of the theory he helped create. Because the inflationary theory leads to a multiverse that allows for every possible outcome, Steinhardt argued, we must conclude that the inflationary theory actually predicts nothing. Imprint of gravitational waves on the cosmic microwave background: In 1993, Robert Crittenden, Rick Davis, J. R. Bond, G. Efstathiou and Steinhardt performed the first calculations of the complete imprint of gravitational waves on the B mode temperature maps and on the polarization of the microwave background radiation in 1993. Despite his criticisms of the idea, Steinhardt's major contributions to the inflationary theory were recognized in 2002 when he shared the Dirac Prize with Alan Guth of M. I. T. and Andrei Linde of Stanford. The unlikeliness problem: In 2013, Anna Ijjas, Abraham Loeb and Steinhardt added to the criticisms in a widely discussed pair of papers that the inflationary model was much less likely to explain our universe than previously thought. According to their analysis of the Planck satellite 2013 results, the chances of obtaining a universe matching the observations after a period of inflation is less than one in a googolplex. Steinhardt and his team dubbed the result the "unlikeliness problem." The two papers also showed that Planck satellite data ruled out what had been historically accepted as the simplest inflationary models and that the remaining inflationary models require more parameters, more fine tuning of those parameters, and more unlikely initial conditions.

Темная энергия и темная материя

Стайнхардт внес значительный вклад в исследование "темной стороны" Вселенной: темной энергии, проблемы космологической постоянной и темной материи. Первое свидетельство космического ускорения: в 1995 году Стейнхардт и Джеремия Острикер, используя согласованность космологических наблюдений, показали, что сегодня должен существовать ненулевой компонент темной энергии, составляющий более 65 процентов от общей плотности энергии, достаточный для ускорения расширения Вселенной. Это было подтверждено тремя годами спустя, в 1998 году, наблюдениями сверхновых. Квинтэссенция: Работая с коллегами, он впоследствии ввел понятие квинтэссенции – формы темной энергии, изменяющейся во времени. Впервые она была предложена группой Стейнхардта как альтернатива космологической постоянной, которая (по определению) постоянна и статична; квинтэссенция же динамична. Ее плотность энергии и давление эволюционируют со временем. Статья 2018 года о гипотезах "болотистой местности" совместно с Агравалом, Обидесом и Вафой.

В 2014 году Стейнхардт, Спергель и Джейсон Поллак предположили, что небольшая доля темной материи может обладать ультрасильными самодействиями, которые приведут к быстрому слиянию частиц и их коллапсу в зародыши для ранних сверхмассивных черных дыр.

Квазикристаллы

Развитие теории: В 1983 году Штайнхардт и его тогдашний студент Дов Левин впервые представили теоретическую концепцию квазикристаллов в патентном заявлении. Теория предполагала существование новой фазы твердого вещества, аналогичной укладке Пенроуза с ротационными симметриями, которые ранее считались невозможными для твердых тел. Штайнхардт и Левин назвали новую фазу вещества «квазикристаллом». Ранее невиданная атомная структура обладала квазипериодическим атомным упорядочением, а не периодическим упорядочением, характерным для обычных кристаллов. Новая теория опровергла двухсотлетнюю научную догму и доказала, что квазикристаллы могут нарушать все ранее принятые математические теоремы о симметрии вещества. Симметрии, которые когда-то считались запрещенными для твердых тел, на самом деле возможны для квазикристаллов, включая твердые тела с пятикратной осью симметрии и трехмерной икосаэдрической симметрией. Первый зарегистрированный пример синтетического квазикристалла: Работая одновременно, но независимо от Штайнхардта и Левина, Дэн Шетман, Илан Блех, Денис Гратиас и Джон Кан из Национального бюро стандартов (NBS) сосредоточились на экспериментальном открытии, которое они не могли объяснить. Это был необычный сплав марганца и алюминия с дифракционной картиной, состоящей из резких (хотя и не идеально точечных) пятен, расположенных с икосаэдрической симметрией, которая не соответствовала ни одной известной кристаллической структуре. Сплав был впервые отмечен в 1982 году, но результаты были опубликованы только в ноябре 1984 года после получения более убедительных данных. Теоретические дебаты фактически завершились, и теория Штайнхардта-Левина получила широкое признание. В течение первых восьми лет поиски не дали результатов. В 2007 году к команде присоединился итальянский ученый Лука Бинди, в то время куратор минералогической коллекции Университета Флоренции. Крошечный образец, всего несколько миллиметров в поперечнике, был упакован в коробку с надписью «хатиркит» — обычный кристалл, состоящий из меди и алюминия. 2 января 2009 года Штайнхардт и Нан Яо, директор Принстонского центра визуализации, изучили материал и идентифицировали характерную дифракционную картину икосаэдрического квазикристалла. Это был первый известный природный квазикристалл. Другие природные квазикристаллы: дальнейшие исследования выявили другие новые минералы в образцах из Чукотки. В 2014 году один из этих минералов был идентифицирован как кристаллическая фаза алюминия, никеля и железа (Al38Ni33Fe30). В 2015 году был обнаружен второй тип природного квазикристалла в другом зерне того же метеорита. Второй известный природный квазикристалл оказался другой смесью алюминия, никеля и железа (Al71Ni24Fe5) и обладал десятиугольной симметрией (регулярным наложением атомных слоев, каждый из которых имеет десятикратную симметрию). Он был принят Международной минералогической ассоциацией и получил название «декагонит». Еще три кристаллических минерала были обнаружены и названы в честь коллег, участвовавших в исследованиях квазикристаллов Штайнхардта: «холлистерит» в честь петролога из Принстона Линкольна Холлистера, «крячкоит» в честь российского геолога Валерия Крячко и «столперит» в честь бывшего проректора Калтеха Эда Столпера. Открытие уникального квазикристалла в трините может трансформировать область ядерной криминалистики, приведя к новому диагностическому инструменту, который поможет правоохранительным органам предотвращать будущие террористические атаки, используя квазикристаллы (которые, в отличие от радиоактивных отходов и газов, не распадаются) для идентификации следов атомного оружия и отслеживания виновных. Другие вклады в эту область: Штайнхардт и его коллеги внесли значительный вклад в понимание уникальных математических и физических свойств квазикристаллов, включая теории того, как и почему формируются квазикристаллы, а также их упругие и гидродинамические свойства. Питер Дж. Лу и Штайнхардт обнаружили квазикристаллическую исламскую плитку на святилище Дарб-э-Имам (1453 г. н.э.) в Исфахане, Иран, построенную из плиток гирих. В 2007 году они расшифровали способ, которым ранние художники создавали все более сложные периодические узоры гирих. Было показано, что эти ранние проекты достигли кульминации в разработке почти идеального квазикристаллического узора за пять столетий до открытия укладки Пенроуза и теории квазикристаллов Штайнхардта-Левина. Эти материалы блокируют свет в конечном диапазоне частот (или цветов) и пропускают свет с частотами за пределами этого диапазона, подобно тому, как полупроводник блокирует электроны в конечном диапазоне энергий. Гиперравномерные неупорядоченные твердые тела (HUDS): Работая с Сальваторе Торкуато и Мариан Флореску, в 2009 году Штайнхардт открыл новый класс фотонных материалов, называемых гиперравномерными неупорядоченными твердыми телами (HUDS), и показал, что твердые тела, состоящие из гиперравномерного неупорядоченного расположения диэлектрических элементов, создают запрещенные зоны с идеальной сферической симметрией. Эти материалы, которые действуют как изотропные полупроводники для света, могут использоваться для управления и манипулирования светом в широком спектре приложений, включая оптическую связь, фотонные компьютеры, сбор энергии, нелинейную оптику и улучшенные источники света. Фоамотоника: В 2019 году Штайнхардт вместе с Майклом Клаттом и Торкуато представил концепцию «фоамотоники», которая относится к фотонным материалам, основанным на конструкциях, подобных пене. Они показали, что большие фотонные запрещенные зоны могут возникать в сетевых структурах, созданных путем преобразования краев пены (пересечений между пузырьками пены) в диэлектрический материал для двух самых известных кристаллических пенных структур, пен Кельвина и пен Веаре-Феллан. Etaphase Inc.: Прорывы в области метаматериалов, достигнутые Штайнхардтом и его коллегами из Принстона, имеют ценные коммерческие применения. В 2012 году ученые помогли создать стартап Etaphase, который будет применять свои открытия к широкому спектру высокопроизводительных продуктов. Изобретения будут использоваться в интегральных схемах, конструкционных материалах, фотонике, связи, межчиповой связи, внутричиповой связи, датчиках, передаче данных, сетях и солнечных приложениях.

Development of the theory: In 1983, Steinhardt and his then student Dov Levine first introduced the theoretical concept of quasicrystals in a patent disclosure. The theory proposed the existence of a new phase of solid matter analogous to Penrose tilings with rotational symmetries previously thought to be impossible for solids. Steinhardt and Levine named the new phase of matter a "quasicrystal." The never before seen atomic structure had quasiperiodic atomic ordering, rather than the periodic ordering characteristic of conventional crystals. The new theory overturned 200 years of scientific dogma and proved that quasicrystals could violate all of the previously accepted mathematical theorems about the symmetry of matter. Symmetries once thought to be forbidden for solids are actually possible for quasicrystals, including solids with axes of five fold symmetry and three dimensional icosahedral symmetry. The first reported example of a synthetic quasicrystal: Working simultaneously to, but independently of, Steinhardt and Levine, Dan Shechtman, Ilan Blech, Denis Gratias and John Cahn at the National Bureau of Standards (NBS) were focused on an experimental discovery they could not explain. It was an unusual alloy of manganese and aluminum with a diffraction pattern of what appeared to be sharp (though not perfectly point like) spots arranged with icosahedral symmetry that did not fit any known crystal structure. The alloy was first noted in 1982, but results were not published until November 1984 after more convincing data had been obtained. The theoretical debate was effectively ended and the Steinhardt Levine theory gained wide acceptance. For the first eight years, the search yielded no results. In 2007, Italian scientist Luca Bindi, then curator of the mineral collection at the Universite’ di Firenze, joined the team. The tiny specimen, a few millimeters across, had been packed away in a box labeled "khatyrkite," which is an ordinary crystal composed of copper and aluminum. On January 2, 2009, Steinhardt and Nan Yao, director of the Princeton Imaging Center, examined the material and identified the signature diffraction pattern of an icosahedral quasicrystal. This was the first known natural quasicrystal. More natural quasicrystals: Further studies revealed other new minerals in the Chukotka samples. In 2014, one of those minerals was discovered to be a crystalline phase of aluminum, nickel and iron (Al38Ni33Fe30). It was accepted by the International Mineralogical Association and named "steinhardtite" in Steinhardt's honor In 2015, a second type of natural quasicrystal was discovered in a different grain of the same meteorite. The second known natural quasicrystal was found to be a different mixture of aluminum, nickel and iron (Al71Ni24Fe5) and had a decagonal symmetry (a regularly stacking of atomic layers which each have 10 fold symmetry). It was accepted by the International Mineralogical Association and given the name "decagonite." Three more crystalline minerals were also discovered and named after colleagues involved in Steinhardt's quasicrystal research: "hollisterite," for Princeton petrologist Lincoln Hollister; "kryachkoite," for Russian geologist Valery Kryachko; and "stolperite," for Caltech's former provost Ed Stolper. The discovery of a unique quasicrystal in trinitite could transform the field of nuclear forensics, leading to a new diagnostic tool which could help law enforcement prevent future terrorist attacks by using quasicrystals (which unlike radioactive debris and gases do not decay) to identify the signature of an atomic weapon and track down the culprits. Other contributions to the field: Steinhardt and his collaborators have made significant contributions to understanding the quasicrystals’ unique mathematical and physical properties, including theories of how and why quasicrystals form and their elastic and hydrodynamics properties. Peter J. Lu and Steinhardt discovered a quasicrystalline Islamic tiling on the Darb e Imam Shrine (1453 A. D.) in Isfahan, Iran constructed from girih tiles. In 2007, they deciphered the manner in which early artists created increasingly complex periodic girih patterns. Those early designs were shown to have culminated in the development of a nearly perfect quasi crystalline pattern five centuries before the discovery of Penrose patterns and the Steinhardt Levine quasicrystal theory. These materials block light for a finite range of frequencies (or colors) and let pass light with frequencies outside that band, similar to the way in which a semiconductor blocks electrons for a finite range of energies. Hyperuniform disordered solids (HUDS): Working with Salvatore Torquato and Marian Florescu, in 2009 Steinhardt discovered a new class of photonic materials called hyperuniform disordered solids (HUDS), and showed that solids consisting of a hyperuniform disordered arrangement of dielectric elements produce band gaps with perfect spherical symmetry. These materials, which act as isotropic semiconductors for light, can be used to control and manipulate light in a wide range of applications including optical communications, photonic computers, energy harvesting, non linear optics and improved light sources. Phoamtonics: In 2019, Steinhardt, along with Michael Klatt and Torquato, introduced the idea of "phoamtonics," which refers to photonic materials based on foam like designs. They showed that large photonic bandgaps could arise in network structures created by converting the foam edges (intersections between foam bubbles) to a dielectric material for the two most famous crystalline foam structures, Kelvin foams and Weiare Phelan foams. Etaphase Inc.: The meta material breakthroughs by Steinhardt and his Princeton colleagues have valuable commercial applications. In 2012, the scientists helped create a start up company called Etaphase, which will apply their discoveries to a wide range of high performance products. The inventions will be used in integrated circuits, structural materials, photonics, communications, chip to chip communications, intra chip communications, sensors, datacomm, networking, and solar applications.

Аморфные твердые вещества

Исследования Штейнхардта в области беспорядочных форм материи были сосредоточены на структуре и свойствах стекла, аморфных полупроводников и аморфных металлов. В 1973 году, будучи студентом Калифорнийского технологического института, он создал первую компьютерную модель непрерывной случайной сети (CRN) для стекла и аморфного кремния. Модели CRN до сих пор остаются ведущими для описания аморфного кремния и других полупроводников. Работая с Ричардом Альбеном и Д. Уэйром, он использовал компьютерную модель для предсказания структурных и электронных свойств. Вместе с Дэвидом Нельсоном и Марко Рончетти, Штейнхардт в 1981 году разработал математические выражения, известные как "параметры ориентационного порядка", для вычисления степени выравнивания межатомных связей в жидкостях и твердых телах. Применив их к компьютерному моделированию моноатомных переохлажденных жидкостей, они показали, что при охлаждении атомы образуют структуры с икосаэдральным (подобным футбольному мячу) ориентационным порядком связей, имеющим конечный радиус действия.

Почести и награды

В 1986 году Стейнхардт был избран членом Американского физического общества в знак признания его вклада в космологию и теоретическое понимание квазикристаллов. В 1994 году он стал лауреатом стипендии Гуггенхайма. В 1998 году он был избран в Национальную академию наук США. В 2002 году Стейнхардт был удостоен медали П. А. М. Дирака Международного центра теоретической физики за его работу над инфляционной моделью Вселенной. Он разделил эту награду с Аланом Гутом из MIT и Андреем Линде из Стэнфорда. В 2012 году он получил премию Джона Скотта за исследования в области квазикристаллов. В 2012 году Стейнхардт был удостоен звания научного сотрудника Саймонса по теоретической физике и научного сотрудника Института Радклиффа для углубленных исследований при Гарвардском университете. В 2014 году он получил награду выдающегося выпускника Caltech. В 2014 году Международная минералогическая ассоциация включила новый минерал из метеорита Хатырка в официальный каталог природных минералов и назвала его "стейнхардтитом" в его честь. В 2020 году он был награжден Почетной медалью Института Нильса Бора.