Pokud známe vlastnosti všech elementárních částic a všech silových interakcí, které na ně působí, lze předpovědět chování všech systémů složených z těchto částic? Hledání základních stavebních bloků přírody a teoretický popis jejich vzájemných interakcí je částečně motivováno těmito snahami. Nikoliv všichni vědci se shodují na tom, že taková syntéza je v principu možná. Dokonce v případě, že by taková syntéza v principu možná byla, výpočty chování složitých systémů mohou být nemožné, pokud počet částic a interakcí systému překročí určitou hodnotu. Složité systémy s mnoha částicemi se proto popisují pomocí zjednodušených modelů, kde se uvažují pouze nejvýznamnější vlastnosti částic a jejich interakcí. Poměrně pozorujeme, že složité systémy začnou projevovat vlastnosti, které nelze předpovědět ze základních interakcí mezi jejich komponentami.

Existuje řada fyzikálních situací, jako je vývoj počasí, tlukot srdce nebo vývoj situace na burze, v nichž sebemenší nejistota v naší znalosti stavu systému v jednom časovém okamžiku vede po krátké době k naprosté ztrátě informace o přesném stavu systému v jiném okamžiku. Takové dynamické systémy se označují jako chaotické. Tyto dynamické systémy jsou extrémně citlivé vůči nepřesnostem v počátečních podmínkách. Libovolně malá nepřesnost vede po určité době ke ztrátě schopnosti předpovídat budoucí vývoj systému.

Vývoj libovolného dynamického systému lze znázornit a popsat pomocí abstraktního prostoru stavů, který se nazývá fázový prostor. Jestliže ponecháme systém se vyvíjet, vzniká ve fázovém prostoru křivka (pokud je čas spojitý) nebo množina bodů stavů (pokud je čas diskrétní). Pokud systém ponecháme vyvíjet se dostatečně dlouho, křivka ve fázovém prostoru zvýrazňuje určitou strukturu, která se nazývá atraktor. Množina stavů, které vedou ke stejnému atraktoru, se nazývá oblast přitahování atraktoru. Pokud je atraktor tvořen uzavřenou hranicí, pak lze chování systému předpovídat na libovolně dlouhou dobu. Chaotické chování dává naopak atraktor s neuzavřenou hranicí. U nechaotických atraktorů jsou body, které byly v určité době blízko sebe, blízko sebe trvale, tedy křivky příliš nedivergují. Zhruba řečeno, chaos je nepředvídatelné chování dynamického deterministického systému v dlouhém časovém úseku vzhledem k počátečním podmínkám. Je však nutné zdůraznit, že chování dynamického deterministického systému lze přesně předvídat za předpokladu, že přesně známe počáteční podmínky systému. Příčinou dlouhodobé nepředvídatelnosti je již zmíněná citlivost (senzitivní závislost) vzhledem k počátečním podmínkám.

Aby byl dynamický systém chaotický, musí obsahovat "velkou" množinu počátečních podmínek, které jsou přitom velmi nestálé. V takových systémech neexistuje žádná možnost, jak přesně měřit hodnoty počátečních podmínek. Odhad jejich hodnoty a odhad jejich změny jsou již v krátkém čase zcela nepřesné. Typicky horizont předpovědi odhadu počátečních podmínek roste pouze logaritmicky s přesností měření. Například pro odhad podmínek ve dvou časových jednotkách musí přesnost měření vzrůst desetkrát.

Dráhy bodů fyzikální soustavy procházejí v určitém čase malou oblastí fázového prostoru. V důsledku evolučních rovnic se tyto dráhy rozšíří na podstatně větší oblast. Fázový prostor v tomto případě popisuje soustavu hmotných bodů časoprostoru. Každý hmotný bod je určen šesti souřadnicemi, kde tři souřadnice představují polohu a další tři hybnost hmotného bodu. Pokud uvažujeme n hmotných bodů, použijeme 6n-rozměrný fázový prostor.

Pokud okrajová podmínka omezuje dráhy ve fázovém prostoru na počátku, pak soustava začíná v uspořádaném stavu a vyvíjí se ke stavu neuspořádanému. S časem tedy roste entropie podle požadavku druhé věty termodynamiky.

Za předpokladu, že čas běží spojitě a nepovažujeme jej za posloupnost časových okamžiků, lze dynamické systémy s disipací energie modelovat pomocí evolučních parciálních diferenciálních rovnic. Tyto rovnice popisují okamžité změny stavových proměnných dynamického systému v čase. Na rozdíl od Newtonových rovnic klasické mechaniky, Einsteinových rovnic obecné teorie relativity nebo Schrödingerovy vlnové rovnice kvantové teorie, tyto rovnice obsahují šipku času. Dovolují popsat různé jevy při přechodu od samoorganizace k chaosu. Činitelem, který do těchto rovnic vnáší asymetrii vůči toku času, je nelinearita. Její podstatnou součástí je zpětná vazba mezi stavovými proměnnými. Tato vzájemná závislost se může projevovat zcela neočekávaným chováním dynamického systému, kdy se systém chová nestabilně a prochází kritickými body.

Henri Poincaré poukázal na to, že kdybychom přesně znali zákony přírody a situaci vesmíru v daném okamžiku, mohli bychom vývoj vesmíru zcela přesně předpovědět. Citlivost dynamického systému k počátečním podmínkám ale takovou předpověď zcela vylučuje, protože nejsme nikdy schopni znát stav vesmíru zcela přesně. Předpověď je nemožná a v dlouhodobém horizontu se nám chování vesmíru jeví jako zcela náhodné. Přitom na zákonech přírody není nic nedeterminovaného.

Kvantová povaha reality nám brání poznat přesně počáteční podmínky nikoliv v praxi, ale v principu. Přítomnost chaotických jevů staví další překážky našim snům o vševědoucnosti dosažené prostřednictvím finální teorie. [1], [2]

Prvními složitými systémy z redukcionistického hlediska jsou nukleony, tedy neutrony a protony složené z kvarků a gluonů. Na vyšší úrovni je atomové jádro, pro které se používá aproximace, že je složeno z jednotlivých nukleonů. První podrobnější model atomového jádra vytvořili koncem 40. let 20. století Johannes D. Jensen a Maria Goeppert-Mayer. Alespoň pro jádro s přibližně kulovým tvarem jsou vnější nukleony uspořádány do hladin energie podobně jako elektrony v atomu. Jiné uspořádání je určeno jiným celkovým potenciálem a určitými silnými spin-orbitálními vztahy jaderných sil. Jejich model byl schopen vysvětlit tzv. "magické" počty protonů a neutronů, kdy je atomové jádro stabilní. Johannes D. Jensen a Maria Goeppert-Mayer obdrželi polovinu Nobelovy ceny za fyziku v roce 1963. Druhou polovinu obdržel Eugene Wigner, který zformuloval důležité principy symetrie důležité jak pro jadernou tak pro částicovou fyziku.

Jádra s počty nukleonů odlišnými od magických počtů nemají sférický tvar. Niels Bohr již v roce 1939 vypracoval kapkový model atomových jader, která mají tvar elipsoidu. Ukázal, že excitace silně deformovaných atomových jader vedou k jadernému štěpení, kdy se jádro rozpadne na dva těžké fragmenty. Otto Hahn obdržel Nobelovu cenu za chemii v roce 1944 za chemický důkaz štěpení atomového jádra. Na tomto objevu se rozhodujícím způsobem podílela také Lise Meitner, která zůstala opomenuta. Dodnes se v odborné literatuře často uvádí, že chemický důkaz jaderného štěpení předložili Otto Hahn a jeho kolega Fritz Strassman. [X4]

Nesférický tvar deformovaného atomového jádra umožňuje nové kolektivní chování, neboť se objevují u něj nové rotační stupně volnosti a kolektivní vibrace nukleonů. Tento model excitací atomového jádra popsali James Rainwater, Aage Bohr (syn Nielse Bohra) a Ben Mottelson, kteří společně obdrželi Nobelovu cenu za fyziku v roce 1975.

Modely atomového jádra nevycházely pouze z určitých principů, ale také z rostoucího množství údajů nukleární spektroskopie. Harold C. Urey objevil deuterium, těžký isotop vodíku a v roce 1934 za tento objev obdržel Nobelovu cenu za chemii. Fermi, Lawrence, Cockcroft a Walton vyvinuli různé metody pro výrobu nestabilních jaderných isotopů. Za rozšíření řady jaderných isotopů nejtěžších prvků Edwin M. McMillan a Glenn T. Seaborg obdrželi v roce 1961 Nobelovu cenu za chemii. V roce 1954 Walther Bothe obdržel polovinu Nobelovy ceny za fyziku. Druhou polovinu obdržel Max Born. Walther Bothe vyvinul metodu, která umožňovala v jaderné spektroskopii vybírat související sekvence záření jádra během jeho rozpadu. Díky tomu bylo možno studovat excitované stavy atomového jádra a jeho elektromagnetické vlastnosti.
 

Elektronové obaly atomů představují systém mnoha těles, který lze popsat snadněji než jádro, které obsahuje nejen protony a neutrony, ale také různé krátce žijící "virtuální" částice. Elektromagnetická interakce je slabší a jednodušší než silná jaderná interakce, která udržuje atomové jádro pohromadě. Pomocí kvantové mechaniky, jejíž základy položili Erwin Schrödinger, Werner K. Heisenberg a Wolfgang Pauli a jejíž relativistické rozšíření vybudoval Paul Dirac, bylo možno vlastnosti elektronů rozumně popsat. Zůstávala však řada nevyřešených problémů, zejména řešení matematických problémů souvisejících se vzájemnými interakcemi elektronů elektricky vázaných k atomovému jádru. Jeden z aspektů problému vyřešil ve své práci Walter Kohn, který obdržel Nobelovu cenu za chemii v roce 1998. Walter Kohn vyvinul metodu "funkcionálu hustoty", kterou lze použít na volné atomy a elektrony v molekulách a tělesech.

Počátkem 20. století Mendělejevova periodická tabulka prvků ještě nebyla úplná. Nejstarší historie Nobelových cen souvisí také s objevy některých chemických prvků. John William Strutt (Lord Rayleigh) objevil určité odchylky v relativních atomových hmotnostech kyslíku a dusíku odebraného ze vzduchu a separovaného z chemických sloučenin. Došel k závěru, že atmosféra obsahuje dosud neznámý plyn a objevil argon s atomovou hmotností 20. John William Strutt obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1904. Ve stejném roce Sir William Ramsay obdržel Nobelovu cenu za chemii za objev hélia.

Ve druhé polovině 20. století došlo ke značnému rozvoji atomové spektroskopie, jejíž přesnost umožnila měřit přechody mezi atomovými nebo molekulovými stavy, které lze detekovat v mikrovlnném nebo optickém oboru záření. Alfred Kastler, který obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1966, a jeho kolegové ukázali v 50. letech 20. století, že elektrony v atomu lze pomocí polarizovaného světla uvést do vybraných excitovaných podstavů. Po radioaktivním rozpadu díky tomu může dojít k orientaci spinů atomů v základním stavu. Indukce přechodů radiových frekvencí otevřela zcela nové možnosti měření kvantových stavů elektronů v atomech. Zhruba ve stejné době byly vyvinuty masery (mikrovlnné koherentní zdroje záření) a lasery (optické koherentní zdroje záření), které jsou založeny na zesilování stimulované emise záření. Tyto jevy byly předpovězeny na základě Einsteinových rovnic v roce 1917, ale jejich praktické využití se objevilo až počátkem 50. let 20. století.

V roce 1958 Charles H. Townes vyvinul první maser, jehož teoretické principy objevili Nikolaj G. Basov a Alexandr M. Prochorov. První maser využíval vynuceného přechodu v molekule amoniaku a emitoval mikrovlnné záření, které na rozdíl od přírodních zdrojů bylo koherentní (všechny fotony měly vlny ve stejné fázi). Záření na jediné frekvenci se brzy stalo důležitým základem moderní technologie a měření času. Charles H. Townes obdržel polovinu Nobelovy ceny za fyziku v roce 1958 a Nikolaj G. Basov a Alexandr M. Prochorov obdrželi druhou polovinu ceny.

Brzy v řadě laboratoří byly vyvinuty lasery v optickém oboru. Nicolaas Bloembergen a Arthur L. Schawlow v roce 1981 vyvinuli přesnou laserovou atomovou a molekulovou spektroskopii a obdrželi jednu polovinu Nobelovy ceny za fyziku. Druhou polovinu Nobelovy ceny za fyziku v roce 1981 obdržel Kai M. Siegbahn, který vyvinul jinou vysoce přesnou metodu atomové a molekulární spektroskopie založenou na elektronech emitovaných z vnitřních elektronových orbitů při ozáření atomu roentgenovým zářením přesně definované energie. Jeho metoda se brzy stala analytickým nástrojem v řadě jiných oblastí chemie a fyziky.

Řízené ovlivňování elektronového obalu elektromagnetickým polem poskytlo podrobné informace o struktuře elektronových stavů atomů. Norman F. Ramsey vyvinul přesné metody založené na reakci volných atomů v atomovém paprsku na vnější signály určité radiové frekvence. Dále Wolfgang Paul vyvinul atomovou "past", v níž pomocí kombinace elektrických a magnetických polí lze udržovat ochlazené atomy. Skupina Hanse G. Dehmelta v této pasti poprvé izolovala jednotlivé částice (positrony) a jednotlivé atomy. Poprvé výzkumníci měli možnost ovlivňovat chování atomů pomocí mikrovlnných a laserových signálů. Tyto metody umožnily podrobně studovat nové aspekty kvantově mechanického chování a zpřesnit měření vlastností atomů. Wolfgang Paul, Hans G. Dehmelt a Norman F. Ramsey obdrželi v roce 1989 Nobelovu cenu za fyziku.

V 90. letech 20. století se výzkum mimo jiné soustředil na zpomalování pohybu atomů v pasti s cílem je ochladit na teploty několika mikroKelvinů. Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji a William D. Phillips a jejich výzkumné týmy vyvinuli metody laserového ochlazování atomů a manipulovali s jednotlivými atomy pomocí srážek atomů s fotony laseru. V roce 1997 obdrželi Nobelovu cenu za fyziku. Jejich metody zřejmě povedou k důležitým aplikacím v technologii měření a ke zpřesnění měření vlastností atomů.
 

Molekuly se skládají z atomů. Představují tak další úroveň složitosti, pokud je chápeme jako systémy mnoha těles. Molekulové jevy jsou tradičně doménou chemie, kdy například v roce 1936 Petrus J. W. Debye obdržel Nobelovu cenu za chemii. Jen zřídka byly za tento výzkum udělovány Nobelovy ceny za fyziku. Významnou výjimkou byla práce Johannese Diderika van der Waalse, který zformuloval stavovou rovnici molekul v plynu, přičemž uvažoval vzájemné interakce molekul a konečný uzavřený objem plynu. Van der Waalsova stavová rovnice se stala důležitým nástrojem pro popis kondenzace plynů v kapaliny. Johannes Diderik van der Waals obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1910. Jean B. Perrin studoval pohyb malých částic rozpuštěných ve vodě a obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1926. Jeho práce plně potvrdila Einsteinovu statistickou teorii Brownova pohybu a zákony, jimiž se řídí rovnováha částic v kapalině pod vlivem gravitace.

V roce 1930 Sir C. Venkata Raman obdržel Nobelovu cenu za fyziku za svá pozorování, že světlo odražené od molekul obsahuje komponenty, jejichž frekvence je posunuta vzhledem k dopadajícímu monochromatickému světlu. Tento posuv je způsoben ztrátou jistého množství energie, které vede ke změnám rotačního nebo vibračního pohybu molekul. Ramanova spektroskopie se brzy stala důležitým zdrojem informací o struktuře a dynamice molekul.

Plasma je plynný stav hmoty, v níž jsou atomy nebo molekuly silně ionizovány. V plasmě důležitou roli proto hrají vzájemné elektromagnetické síly mezi kladnými ionty a volnými elektrony. Hannes Alfvén ve 40. letech 20. století ukázal, že v plasmě existuje nový typ kolektivního chování, "magnetohydrodynamické vlny". Tyto vlny hrají rozhodující roli pro chování plasmy jak v laboratoři tak v zemské atmosféře nebo v kosmu. Hannes Alfvén obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1970.
 

Krystaly jsou charakterizovány pravidelným uspořádáním svých atomů. Brzy po objevu paprsků X Max von Laue zjistil, že tyto paprsky vykazují po průchodu krystalem difrakci podobně jako světlo, které prochází optickou mřížkou. Tento jev souvisí se skutečností, že vlnová délka roentgenova záření odpovídá typické vzdálenosti atomů v krystalickém materiálu. První systematická měření vzdáleností atomů provedli sir William Henry Bragg a jeho syn William Lawrence Bragg, aby tak určili geometrické uspořádání atomů v jednoduchých krystalech. Za tuto průkopnickou práci v roentgenové krystalografii obdržel Max von Laue Nobelovu cenu za fyziku v roce 1914 a sir William Henry Bragg a William Lawrence Bragg v roce 1915.

Krystalická struktura je nejstabilnější forma látky, do níž se mohou atomy za určitých teplot a tlaků uspořádat. Ve 30. letech 20. století Percy W. Bridgman vyvinul zařízení, v němž bylo možno podrobit různé materiály velmi vysokým tlakům a tak studovat jejich krystalické, elektrické, magnetické a tepelné vlastnosti. Řada krystalů prochází za těchto extrémních podmínek fázovými přechody, kdy dochází k nevratným změnám geometrického uspořádání atomů. Percy W. Bridgman obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1946 za své objevy v oblasti fyziky vysokých tlaků.

Ve 40. letech 20. století již byly k dispozici neutrony nízké energie ze štěpných reaktorů. Zjistilo se, že tyto neutrony, podobně jako paprsky X, mohou sloužit ke studiu krystalické struktury, protože vlnová délka těchto pomalých neutronů odpovídá vzdálenostem atomů v krystalech. Clifford G. Shull významně přispěl k rozvoji neutronové difrakční metody pro určení krystalické struktury a také objevil pravidelné uspořádání magnetických momentů atomů v magnetických materiálech. Neutronová difrakční metoda se stala mocným nástrojem pro určení magnetické struktury látek.

Clifford G. Shull obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1994 společně s Bertamem N. Brockhousem, který se specializoval na jiný aspekt neutronového rozptylu v pevných látkách. Bertram N. Brockhouse studoval malé ztráty energie vibračních módů (tzv. fononů) v krystalické mřížce excitovaných dopadajícími neutrony. Pro tento účel Brockhouse vyvinul trojosý neutronový spektrometr, pomocí něhož mohl získat kompletní disperzní křivky (energii fononů jako funkci vlnových vektorů). Podobné křivky lze získat pro vibrační módy v magnetických mřížkách (tzv. magnony).

John H. Van Vleck přispěl k teorii magnetismu pevné látky již v době krátce po vzniku kvantové mechaniky. Vypočetl vliv chemické vazby na paramagnetické atomy a vysvětlil vliv teploty a vnějších magnetických poli na jejich magnetismus. Navíc vyvinul teorii vlivu krystalického pole na změny magnetismu kovových slitin, která se stala důležitým základem pro pochopení funkce aktivních center ve sloučeninách v laserové fyzice a při studiu biomolekul. John H. Van Vleck obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1977. Tuto cenu s ním sdíleli Philip W. Anderson a Sir Nevill F. Mott.

Magnetické atomy mají své momenty v každé doméně uspořádány do jediného směru (ferromagnetismus) nebo střídavě momenty "up" a "down" v doménách stejné velikosti (jednoduchý antiferromagnet) nebo jsou uspořádány do různých magnetických podmřížek (jako jsou ferrimagnety atd.). Louis E. F. Néel vytvořil základní modely pro popis antiferromagnetických a ferrimagnetických materiálů, které jsou důležitými součástmi řady zařízení. Svoji teorii podpořil využitím neutronové difrakční metody. Louis E. F. Néel obdržel polovinu Nobelovy ceny za fyziku v roce 1970.

Geometrické uspořádání atomů v krystalických látkách nebo různých magnetických látkách jsou příklady obecného principu, podle něhož systémy hledají energeticky nejvýhodnější uspořádání a zaujímají určitý symetrický stav. Kritický bod, kdy dochází k přechodu mezi různými stavy symetrie (např. při změně teploty) má pro různé typy fázových přechodů určité společné vlastnosti. Kennet G. Wilson, který obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1982, vyvinul renormalizační teorii pro kritický bod fázových přechodů. Tato teorie našla uplatnění také v určitých teoriích pole fyziky částic.

Zvláštní třídu materiálů tvoří kapalné krystaly, které jednak mají řadu zajímavých vlastností ohledně fundamentálních interakcí v pevné látce a jednak slouží v řadě technických aplikací. Teorii pro chování kapalných krystalů a jejich přechodů mezi různými uspořádanými fázemi vyvinul Pierre-Gilles de Gennes. Pro popis uspořádání a dynamiky polymerních řetězců použil také statistickou mechaniku a jeho metody vyvinuté pro uspořádání jednoduchých systémů lze zobecnit na složité systémy. Za svoji práci obdržel v roce 1991 Nobelovu cenu za fyziku.

Další zvláštní formou kapaliny je kapalné hélium. Za běžného tlaku zůstává kapalné hélium kapalinou až do nejnižších dosud dosažitelných teplot. Při nízkých teplotách se projevují některé zásadní rozdíly mezi isotopy ⁴He a ³He. Isotop hélia ⁴He kondenzuje v kapalinu při teplotě 4,2 Kelvinu, zatímco isotop hélia ³He zůstává v plynném stavu až do teploty 3,2 Kelvinu. Hélium poprvé zkapalnil v roce 1909 Heike Kamerlingh-Onnes. Za výrobu kapalného hélia a studium vlastností látky při nízkých teplotách obdržel v roce 1913 Heike Kamerlingh-Onnes Nobelovu cenu za fyziku. Lev Davidovič Landau vytvořil základní koncepty pro popis vlastností pevné látky, které byly použity na teorii kapalného hélia. Landau vysvětlil některé jevy v kapalném héliu ⁴He, jako je supratekutost, "rotonové" excitace a některé akustické jevy. Lev Davidovič Landau obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1962.

Ve 20. a 30. letech 20. století některé experimentální metody pro studium jevů při nízkých teplotách vyvinul Piotr Kapica. Studoval celou řadu vlastností kapalného hélia ⁴He a ukázal, že při teplotě nižší než 2,2 Kelvinu se stává supratekutým (bez vnitřního tření). Supratekutost byla později vysvětlena pomocí makroskopické kvantové koherence v teoreticky předpovězených Boseově-Einsteinových kondenzátech. Piotr Kapica obdržel polovinu Nobelovy ceny za fyziku v roce 1978.

Jádro atomu isotop kapalného hélia ³He má nenulový spin na rozdíl od jádra ⁴He. Jde o fermion, který není schopen tvořit Boseův-Einsteinův kondenzát. Podobně jako při supravodivosti vznikají dvojice částic s polovičním spinem, tzv. "kvasibosony", které mohou kondenzovat do supratekuté fáze. Supratekutost hélia ³He objevili David M. Lee, Douglas D. Osheroff a Robert C. Richardson, kteří obdrželi Nobelovu cenu za fyziku v roce 1996. Pozorovali tři různé supratekuté fáze, v nichž se objevují vírové struktury a další zajímavé kvantové jevy.

Elektrony v pevné látce jsou v případě izolátorů vázány ve svých atomech nebo v případě vodičů a polovodičů se volně pohybují mezi atomy. Počátkem 20. století bylo známo, že kovy při zahřátí na vysoké teploty emitují elektrony. Podstata jevu ale nebyla známa, protože nebylo jasné, zda dochází k tepelné excitaci elektronů nebo k chemické reakci s okolním plynem. Později byly experimenty prováděny ve vysokém vakuu. Owen W. Richardson nakonec prokázal, že elektrony vznikají v důsledku zahřátí kovu a odvodil zákon rozdělení rychlostí elektronů. V roce 1928 obdržel Nobelovu cenu za fyziku.

Uspořádání elektronů určuje elektrické, magnetické a také optické vlastnosti pevných látek a má důležitý vliv na jejich mechanické a tepelné vlastnosti. Jedním z velkých úkolů fyziky 20. století se stalo měření stavů a dynamiky elektronů s cílem porozumět jejich uspořádání v různých typech pevných látek. Bylo přirozené, že zejména neočekávané a extrémní projevy chování elektronů přitahovalo zájem fyziků. Několik Nobelových cen za fyziku bylo uděleno v souvislosti se supravodivostí a se studiem některých vlastností supravodivých materiálů.

Supravodivost objevil v roce 1911 Kamerlingh-Onnes, který zjistil, že při ochlazení rtuti pod určitou kritickou teplotu dochází k prudkému poklesu elektrického odporu až na milióntinu původní hodnoty. Za tento objev obdržel v roce 1913 Nobelovu cenu za fyziku, ale ještě dlouho trvalo, než se podařilo vysvětlit, proč elektrony v ochlazeném materiálu tečou bez odporu. Počátkem 60. let 20. století Leon N. Cooper, John Bardeen a J. Robert Schrieffer vytvořili teorii založenou na myšlence párů elektronů s opačným spinem a směrem pohybu. Tyto páry elektronů mohou svoji energii snížit na úroveň E_g a při pohybu mohou sdílet přesně stejnou deformaci v krystalické mřížce. Tyto "Cooperovy páry" se chovají jako bosony. Díky tomu se mohou chovat jako koherentní makroskopická kapalina, dokud tento koherentní stav není narušen teplotními excitacemi o energii k.T. vyšší než energie E_g. Za tuto BCS-teorii Leon N. Cooper, John Bardeen a J. Robert Schrieffer obdrželi v roce 1972 Nobelovu cenu za fyziku.

Tento zásadní průlom na základě kvantové mechaniky vedl k výraznému pokroku v technologii supravodivých obvodů. Brian D. Josephson analyzoval přenos supravodivých nosičů mezi dvěma supravodivými kovy oddělenými od sebe velmi tenkou vrstvou normálně vodivého materiálu. Zjistil, že fáze vlnové funkce, která určuje vlastnosti přenosu, je oscilující funkcí napětí, nacházejícího se na přechodu. Josephsonův jev se stal důležitým základem přesných měření frekvencí. Brian D. Josephson obdržel polovinu Nobelovy cenu za fyziku v roce 1973. Druhou polovinu ceny obdržel Ivar Giaever za svůj objev a studium vlastností "tunelového hradla" a Leo Isaki za svoji práci na tunelovém jevu v polovodičích.

Přestože od Kamerlinghova-Onnesova objevu uplynulo 75 let a byla objevena řada supravodivých slitin a sloučenin, zdálo se, že supravodivost zůstane navždy typickým jevem při nízkých teplotách. Předpokládalo se, že hranicí supravodivosti je teplota slabě nad 20 Kelviny. Proto bylo naprostým překvapením, když J. Georg Bednorz a K. Alexander Müller prokázali supravodivost při teplotě do 35 Kelvinů u slitiny lanthanu a oxidu mědi, dopované malým množstvím barya. Krátce nato další laboratoře oznámily vývoj slitin se supravodivostí do teploty asi 100 Kelvinů. Tento objev "vysokoteplotní supravodivosti" se stal jedním z největších překvapení moderní fyziky a současně velkou výzvou: vysvětlit základní mechanismus supravodivosti těchto neobyčejných látek. J. Georg Bednorz a K. Alexander Müller obdrželi Nobelovu cenu za fyziku v roce 1987.

Pohyb elektronu v kovech za normálního vodivého stavu byl teoreticky zpřesňován ještě před rozvojem kvantové mechaniky. Dalším velkým krokem byl Blochův vlnový koncept. Felix Bloch obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1952 za objev magnetické resonance. Další důležitý koncept "elektronový tok" ve vodičích zavedl Lev Davidovič Landau. Philip W. Anderson významně přispěl k teorii uspořádání elektronů v kovových systémech, v níž se mimo jiné zabýval nehomogenitami slitin a magnetickými nečistotami v kovech. Nevill F. Mott vypracoval obecné podmínky elektronové vodivosti v pevných látkách a popsal vlastnosti přechodu, kdy se izolátor stává vodičem (tzv. Mottův přechod) změnou vnějších parametrů. Philip W. Anderson a Nevill F. Mott obdrželi Nobelovu cenu za fyziku v roce 1977 společně s Johnem H. Van Vleckem za jejich teoretický výzkum elektronové struktury magnetických a neuspořádaných systémů.

V roce 1920 obdržel Nobelovu cenu za fyziku Charles E. Guillaume za objev nezávislosti elektrického odporu na teplotě určitých slitin niklu (tzv. "invarových" slitin). Udělení ceny bylo motivováno zejména důležitostí těchto slitin pro přesná měření ve fyzice a v geodézii. Tyto slitiny se staly součástí všech druhů přesných mechanických zařízení, hodin atd. Teoretické pozadí této teplotní nezávislosti bylo vysvětleno až v roce 1998, kdy Walter Kohn obdržel Nobelovu cenu za chemii za svoji metodu studia změn kvantových korelací.

V polovodiči je pohyblivost elektronu silně omezena, protože v něm existují zakázané oblasti pro energii elektronů, které se podílejí na vodivosti, tzv. "energetické pásy". Poté, co byl pochopen význam dopování velmi čistého křemíku (později dalších polovodičových materiálů) vybranými příměsemi, které přijímají nebo naopak uvolňují elektrony, došlo k prudkému rozvoji moderní polovodičové elektroniky. William B. Shockley, John Bardeen a Walter H. Brattain společně vyvinuli první transistor a v roce 1956 obdrželi Nobelovu cenu za fyziku.

Později Leo Esaki vyvinul tunelovou diodu, elektronickou součástku se záporným diferenciálním odporem. Tunelová dioda se skládá ze dvou silně dopovaných "n" a "p" polovodičů, kdy v jedné vrstvě je přebytek a ve druhé vrstvě nedostatek elektronů. Tunelový jev vzniká v okamžiku, kdy je odchylka napětí větší než napětí mezery mezi polovodiči.

Moderní technologie umožňují zkonstruovat velmi tenké a přesně definované struktury různých polovodičových materiálů, které jsou navzájem v přímém kontaktu. Použitím určitého napětí na elektrodách v těchto systémech mohou vznikat "inverzní vrstvy" s pohybem nábojů pouze ve dvou rozměrech. Tyto vrstvy mají určité neočekávané a zajímavé vlastnosti. V roce 1982 Klaus von Klitzing objevil kvantovaný Hallův jev. Jestliže silné magnetické pole působí kolmo k rovině dvourozměrné vrstvy, kvantové podmínky jsou takové, že s růstem intenzity magnetického pole napětí na hranách vrstvy nevzrůstá lineárně ale skokově. Mezi dvěma skoky je Hallova resistence rovna h/(je²), kde j je celé číslo, které odpovídá kvantové dráze elektronu v rovině. Kvantový Hallův jev umožňuje velmi přesně měřit hodnoty fundamentálních konstant a proto má klíčový význam v metrologii. Klaus von Klitzing obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1985.

Dalšího překvapení se dočkali Daniel C. Tsui a Horst L. Störmer při studiu kvantového Hallova jevu použitím inverzních vrstev v materiálech ultravysoké čistoty. Skoky resistence se objevily nejen při intenzitě magnetického pole odpovídající vyplnění dráhy celým počtem nábojů elektronu, ale dokonce zlomku elektrického náboje! Tento jev lze popsat novým typem kvantového toku, kdy pohyb nezávislých nábojů elektronu je nahrazen excitacemi mnohočásticového systému. Robert B. Laughlin vyvinul teorii, která popsala tento nový stav hmoty. Horst L. Störmer, Daniel C. Tsui a Robert B. Laughlin obdrželi Nobelovu cenu za fyziku v roce 1998.

Často se stává, že objevy v jedné oblasti fyziky pak mají důležité využití ve zcela odlišných oblastech. Koncem 50. let Rudolf L. Mössbauer pozoroval, že jádra v "absorbujících" atomech lze resonančně excitovat gama zářením z určitých "emitujících" atomů, pokud jsou tyto atomy vázány tak, aby nedocházelo k jejich vzájemným srážkám. Kvantované energie jádra ve vnitřních elektrických a magnetických polích pevného tělesa lze měřit pomocí extrémně ostrých resonancí jim odpovídajících poloh. Díky tomu lze určit elektrickou a magnetickou strukturu řady látek. Rudolf L. Mössbauer obdržel polovinu Nobelovy ceny za fyziku v roce 1961. Druhou polovinu ceny obdržel R. Hofstadter.
 

Řada fyzikálních objevů a teorií měla přímý dopad na vývoj technických zařízení. Některé objevy a teorie otevřely zcela nové oblasti fyziky nebo poskytly klíčové myšlenky. Příkladem je práce Shockleye, Bardeena a Brattaina, jejichž transistor odstartoval revoluci v elektronice, nebo základní výzkum Townese, Basova a Prochorova, jejichž práce vedla k vývoji maserů a laserů. Podobně částicové urychlovače dnes sehrávají důležitou roli nejen ve fyzice materiálů, ale také v medicíně. Některé Nobelovy ceny byly motivovány přímým dopadem na konstrukci měřících zařízení nebo na vývoj komunikačních a informačních technologií.

V roce 1912 obdržel Nils Gustaf Dalén Nobelovu cenu za fyziku za svůj "sluneční spínač", který se začal používat pro pouliční osvětlení a světelné bóje. Princip spínače vycházel z rozdílu tepelného záření odraženého černými tělesy. Jeden ze tří pásků zařízení byl obarven načerno a během dne teplem docházelo k jeho prodloužení.

Gabriel Lippmann vyvinul metodu barevné fotografie pomocí interference světla. Zrcadlo bylo připevněno k fotografické desce takovým způsobem, že po osvětlení odraz ze zrcadla vyvolal stojaté vlnění v emulzi fotografické desky. Po vyvolání desky bylo možno pozorovat barevný obraz v zrcadle. Gabriel Lippmann obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1908. Bohužel tato metoda vyžadovala velmi dlouhý expoziční čas a později byla nahrazena jinými technologiemi barevné fotografie. Jeho objev měl později důležitý význam při expozici vysoce kvalitních hologramů.

Frits Zernike v optické mikroskopii ukázal, že dokonce velmi slabě absorbující objekty (téměř průhledné) lze zviditelnit, jestliže se skládají z oblastí, které mají různé indexy lomu. Zernikeova "fázově kontrastní mikroskopie" umožňuje rozlišit nepatrné nehomogenity díky fázových změnám odraženého světla. Tento mikroskop umožnil mimo jiné pozorovat detaily biologických vzorků. Frits Zernike obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1953. Ve 40. letech 20. století Dennis Gabor objevil principy holografie. Předpověděl, že pokud paprsek dopadající na objekt současně interferuje se zářením odraženým od dvourozměrné plochy, lze reprodukovat trojrozměrný obraz objektu. Realizace této myšlenky čekala až na vývoj laserů, které poskytují koherentní záření. Gaborova holografie byla plně potvrzena a Dennis Gabor obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1971.

Elektronová mikroskopie má klíčový význam v řadě oblastí přírodních věd. Krátce po objevu vlnových vlastností elektronu C. J. Davisson a G. P. Thomson objasnili, že krátké vlnové délky elektronů o vysoké energii by mohly poskytnout větší zvětšení a rozlišení než optické mikroskopy. Ernst Ruska počátkem 30. let 20. století tuto možnost prozkoumal a sestrojil první elektronový mikroskop. Trvalo však více než 50 let, než za tento převratný vynález obdržel Nobelovu cenu.

Ernst Ruska obdržel polovinu Nobelovy ceny za fyziku v roce 1986. Druhou polovinu ceny obdrželi Gerd Binnig a Heinrich Rohrer za vývoj zcela odlišné metody pro pořizování snímků s extrémně vysokým rozlišením. Jejich metodu lze použít pro povrchy pevných těles. Využívá tunelování elektronů z velmi tenké kovové sondy do atomů povrchu, když se sonda pohybuje nad povrchem ve vzdálenosti asi 1 mm. Je-li tunelový proud konstantní, lze získat topografii povrchu tělesa a lze dokonce zobrazit jednotlivé atomy. Dnes tato mikroskopie rastrovací sondou nalézá stále širší uplatnění.

Radiová komunikace je bezesporu jedním z největších úspěchů fyziky 20. století. V 90. letech 19. století Guglielmo Marconi experimentoval s tehdy právě objevenými Hertzovými vlnami. Jeden konec svého oscilátoru uzemnil a druhý připojil k dlouhému svisle nataženému drátu. Zatímco Hertz experimentoval v laboratoři, Marconi provedl přenos signálu na vzdálenost několika kilometrů. Carl Ferdinand Braun vyvinul v Hertzově oscilátoru resonanční obvody, které umožnily ladění a zesílení radiového signálu a tím výrazně zvýšil dosah radiového signálu. V roce 1901 Marconi navázal radiové spojení přes Atlantický oceán. Guglielmo Marconi a Carl Ferdinand Braun obdrželi Nobelovu cenu za fyziku v roce 1909.

V té době ještě nebylo jasné, jak radiové vlny mohou dosahovat značných vzdáleností, když mají stejnou povahu jako světlo, které se volným prostorem šíří po přímce. Sir Edward V. Appleton pokusem potvrdil Heavisideovu a Kennellyho hypotézu, že se radiové vlny odrážejí od různých vodivých vrstev atmosféry. Appleton měřil interference přímých a odražených vln na různých vlnových délkách a určil tloušťku Heavisideovy vrstvy. Navíc objevil ještě další vrstvu ve větší výšce, která nese jeho jméno. Sir Edward V. Appleton obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1947.

Pokrok nukleární a částicové fyziky vždy silně závisel na vývoji pokročilých technologií (v některých případech si tento vývoj vynutil). Příkladem je lineární urychlovač, který vyvinuli Cockroft a Walton, a cyklotron, který vyvinul Lawrence. Detekce elementárních částic s vysokou energií se stala výzvou pro vývoj nových technologií.

V roce 1958 Pavel A. Čerenkov, Ilja M. Frank a Igor Y. Tamm obdrželi Nobelovu cenu za fyziku za objev a objasnění Čerenkovova jevu. Čerenkovovo záření vzniká v úzkém kuželu při pohybu nabité částice, pokud je její rychlost vyšší než rychlost světla v prostředí, jímž se částice pohybuje. Úhel kužele, v němž je Čerenkovovo záření emitováno, umožňuje určit rychlost částice. Práce těchto tří fyziků se brzy stala základem vývoje detektorů nabitých částic.

Aby fyzikové mohli správně interpretovat fyzikální jevy při srážkách částic v urychlovačích, potřebovali zobrazit dráhy všech vzniklých částic. Při experimentech s relativně nízkými energiemi se pro zachycení částic používala fotografická emulse. Charles T. R. Wilson vyvinul komoru, v níž bylo možno zviditelnit dráhy částic pomocí ionizovaného plynu. Ve Wilsonově komoře se nechal rychle expandoval plyn, aby se silně ochladil. Při průchodu nabité částice ionizované atomy plynu vyvolávaly kondenzaci vodních par. Kapénky vysrážených vodních par bylo možno v silném světle fotografovat. Charles T. R. Wilson obdržel polovinu Nobelovy ceny za fyziku v roce 1927. Druhou polovinu ceny obdržel Arthur H. Compton.

Dalším krok učinil Donald A. Glaser vývojem bublinové komory. V 50. letech 20. století urychlovače dosahovaly již energií od 20 do 30 GeV a původní metody pozorování částic byly nepoužitelné. Dráhy částic byly delší než Wilsonova komora umožňovala zachytit. V bublinové komoře jako terčíky procházejících částic posloužila jádra atomů (obvykle kapalný vodík). Při provozní teplotě byla kapalina silně přehřáta a částicemi ionizované oblasti vedly ke vzniku malých bublinek. Luis W. Alvarez rozvinul metody záznamů částic a datové analýzy. Jeho práce významně přispěla k rozšíření známého počtu elementárních částic včetně "resonancí", které byly později vysvětleny jako excitované stavy kvantových systémů složených z kvarků a gluonů. Donald A. Glaser obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1960 a Luis W. Alvarez v roce 1968.

Bublinové komory se počátkem 80. let 20. století staly důležitým přístrojem všech laboratoří fyziky vysokých energií. Později byly překonány elektronickými detekčními systémy. Zatím poslední krok ve vývoji detekčních zařízení učinil Georges Charpak, který obdržel Nobelovu cenu za fyziku za rok 1992. Charpak podrobně studoval ionizační procesy v plynech a objevil "vláknovou" komoru, plynem vyplněný detektor s hustě rozmístěnými vlákny, která získávají elektrické signály z okolí ionizovaných bodů, jimiž detekovaná částice prochází. Vláknová komora a další zařízení, jako komora s časovou projekcí a několik velkých vláknových komor kombinovaných se scintilátory a detektory Čerenkovova záření vytvářejí složité detekční systémy, pomocí nichž lze studovat extrémně řídké jevy (jako je vznik těžkého kvarku).
 

Množství každý rok udělovaných Nobelových cen je omezené (pouze 3 osoby mohou sdílet určitou Nobelovu cenu v jednom roce). Během výběru možných laureátů musí nobelovské výbory někdy opominout některé objevy, které naplňují charakter Nobelovy ceny. Někdy je skutečný význam objevu nebo teoretického přínosu rozpoznán až po řadě let, jako je tomu v případě obecné teorie relativity, za níž Albert Einstein nikdy Nobelovu cenu neobdržel. Přesto nositelé Nobelových cen představují mezníky fascinujících cest vývoje přírodních věd.

Literatura a odkazy:

[X1] The Nobel Prize in Physics 1901-1999 by Erik B. Karlsson. First published February 2000.

[X2] History of mathematics and mathematicans. Turnbull University of St. Andrews.

[X3]  Nina Byers: E. Noether's Discovery of the Deep Connection Between Symmetries and Conservation Laws. Physics Department, UCLA, Los Angeles, CA 90024. July 16, 1998. UCLA/98/TEP/20 hep-th/9807044

[X4] Gary R. Goldstein: A Review Essay: Lise Meitner and the Dawn of the Nuclear Age", by Patricia Rife. 5 Jul 2000. arXiv:physics/0007009 e-Print archive. Los Alamos National Laboratory. US National Science Foundation.

[1] Coveney, Peter; Highfield, Roger: Šíp času. Nakl. Oldag, Ostrava 1995, ISBN: 80-85954-08-7. angl. orig.: The Arrow of Time, WH Allen (Virgin Publishing Ltd.), Great Britain, 1990.

[2] Barrow, John D.: Teorie všeho. Mladá fronta, Praha 1997. z angl. orig.: Theories of Everything. The Quest for Ultimate Explanation. Oxford University Press, 1991. ISBN: 80-204-0602-6

[3] Weinberg, Steven: Snění o finální teorii. Nakl. Hynek spol. s r.o., Celetná 11, 110 00 Praha 1. 1996. z amer. orig.: Dreams of a Final Theory. Pantheon Books, New York, 1993. ISBN: 80-85906-26-0