物理學(xué)諾獎揭曉后拓撲相變火：開(kāi)啟了一個(gè)未知世界
三名科學(xué)家獲殊榮 瑞典皇家科學(xué)院4日宣布，將2016年諾貝爾物理學(xué)獎授予戴維索利斯、鄧肯霍爾丹和邁克爾科斯特利茨這三名科學(xué)家，以表彰他們在物質(zhì)的拓撲相變和拓撲相方面的理論發(fā)現。
這三名科學(xué)家均在英國出生，目前在美國從事研究工作。
瑞典皇家科學(xué)院常任秘書(shū)戈蘭漢松當地時(shí)間11時(shí)45分（北京時(shí)間17時(shí)45分）在皇家科學(xué)院會(huì )議廳公布了獲獎?wù)呙麊渭爸饕删汀?/p>
拓撲學(xué)是數學(xué)的一個(gè)分支，它主要研究的是幾何圖形或空間在連續改變形狀后還能保持不變的性質(zhì)。據諾貝爾獎評選委員會(huì )介紹，三名獲獎?wù)邔⑼負涓拍顟糜谖锢硌芯�，這是他們取得成就的關(guān)鍵。
上世紀70年代，索利斯和科斯特利茨用拓撲理論推翻了當時(shí)超導性和超流體不能在薄層中存在的理論，并證明了超導性可在低溫狀態(tài)存在，解釋了其在溫度升高時(shí)消失的機制與相變。相變指的就是物質(zhì)從一種相轉變?yōu)榱硪环N相的過(guò)程，而物質(zhì)分固相、液相、氣相這三種。
到了80年代，索利斯又對之前的一項實(shí)驗做出解釋?zhuān)闯щ妼拥膶щ娐士梢詫?shí)現整數級精確度量，證明了這些整數本身的自然屬性都是拓撲狀態(tài)。幾乎同一時(shí)期，霍爾丹發(fā)現可以利用拓撲概念來(lái)解釋一些材料中存在的小磁鐵鏈的特性。
瑞典皇家科學(xué)院在新聞公報中說(shuō)，今年的獲獎研究成果開(kāi)啟了一個(gè)未知世界的領(lǐng)域，得益于他們開(kāi)創(chuàng )性的研究，科學(xué)家們現在可以探索物質(zhì)的新相變，未來(lái)有望應用于材料科學(xué)和電子學(xué)領(lǐng)域。
“你看我并沒(méi)有昏過(guò)去”
霍爾丹得知獲獎后非常激動(dòng)，在現場(chǎng)電話(huà)連線(xiàn)中表示，評委會(huì )把他們的研究成果總結得很精辟，這對目前拓撲相領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了很大影響，也為尋找更多新材料提供了更多可能性，很多相關(guān)科研工作正在繼續進(jìn)行中。
霍爾丹在接到獲獎電話(huà)時(shí)還開(kāi)玩笑表示：“對于獲獎，我比較英國，或者說(shuō)有點(diǎn)冷漠吧。所以你看我并沒(méi)有昏過(guò)去或其他表現�！�
今年諾貝爾物理學(xué)獎獎金共800萬(wàn)瑞典克朗（約合93.33萬(wàn)美元），索利斯將獲得其中一半，霍爾丹與科斯特利茨將共享另一半。
■背景資料
戴維索利斯：1934年出生于蘇格蘭，華盛頓大學(xué)教授，理論凝聚態(tài)物理學(xué)家，因KT相變而著(zhù)稱(chēng)，在獲得諾獎之前還獲得了1990年的沃爾夫獎、1993年的保羅狄拉克獎等。
鄧肯霍爾丹：普林斯頓大學(xué)物理學(xué)教授，理論物理學(xué)家，英國皇家學(xué)會(huì )會(huì )員，在凝聚態(tài)物理理論作出基礎性貢獻，包括分數量子霍爾效應。
邁克爾科斯特利茨：布朗大學(xué)物理學(xué)教授，其研究方向主要是凝聚態(tài)理論，一維/二維物理，其中相變領(lǐng)域包括：隨即體系、電子局域化、自旋玻璃態(tài)等。在得到諾貝爾獎之前科斯特利茨還得過(guò)許多獎項：1981年，英國物理學(xué)會(huì )授予其麥克斯韋獎，2000年，美國物理學(xué)會(huì )授予其昂薩格獎。
■科普
什么是拓撲？什么是相變？
看不懂今年的諾貝爾獎物理學(xué)獎？先別急，要想知道什么是“物質(zhì)的拓撲相變和拓撲相”，得先知道什么是拓撲、什么是相變。
拓撲學(xué)是數學(xué)的一個(gè)分支，它的主要研究?jì)热菔菐缀涡螤钤谶B續形變中所不改變的性質(zhì)。
在昨天的發(fā)布會(huì )上，瑞典皇家科學(xué)院的專(zhuān)家捧出一袋面包當教具，他們用沒(méi)有洞的肉桂卷、一個(gè)洞的面包圈和兩個(gè)洞的堿水面包解釋了拓撲是怎么回事，在拓撲上，這幾種結構是完全不一樣的，因為洞的數量不一樣。
相變就是物質(zhì)在外界條件連續變化時(shí)，從一種“相”突然變成另一種“相”的過(guò)程，比如冰融化成水。
日常生活中最常見(jiàn)的“相”是氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。而在一些極端的條件下，比如極高的溫度或者極低的溫度，會(huì )出現很多更為奇異的狀態(tài)。
我們所看到的相變，是分子在微觀(guān)層面上一起作出改變的結果。比如宏觀(guān)上，冰融化成水，再蒸發(fā)成水蒸氣的過(guò)程中：在微觀(guān)上，分子先是像方陣兵一樣十分整齊地排列著(zhù)，在宏觀(guān)上就表現出冰的狀態(tài)。當溫度升高，士兵們在附近自由活動(dòng)，不再整齊地保持隊列，但依然挨在一起，在宏觀(guān)上就呈現了水的形態(tài)；當溫度再升高，士兵們完全自由運動(dòng)，就呈現了水蒸氣的狀態(tài)。
而戴維索利斯和邁克爾科斯特利茨還提出了BKT相變（Berezinskii–Kosterlitz–Thouless transition），它在微觀(guān)上是這樣的：一群士兵分別圍繞幾個(gè)長(cháng)官轉圈。為了一直轉下去，有一群順時(shí)針的士兵，就要有一群逆時(shí)針轉的。一開(kāi)始，每一個(gè)逆時(shí)針的長(cháng)官都和一個(gè)順時(shí)針的長(cháng)官配對，每一對順/逆時(shí)針的長(cháng)官所帶領(lǐng)的士兵都只會(huì )互相補充給彼此；后來(lái)每一對長(cháng)官都分開(kāi)了，隨意移動(dòng)，他們率領(lǐng)的士兵也不再只給彼此，而是送給所有其他人，這樣拓撲結構發(fā)生了改變，從而產(chǎn)生了相變。不過(guò)，與水不同，BKT相變描述的是二維的物質(zhì)。
拓撲絕緣體、拓撲超導體和拓撲金屬都是目前的熱門(mén)話(huà)題。過(guò)去十年來(lái)，凝聚態(tài)物理的最前沿都被這個(gè)領(lǐng)域的研究所主導，重要原因是這些拓撲材料對于新一代電子元件和超導體會(huì )十分重要，未來(lái)還可能導向量子計算機的研究。此刻，研究者依然在探索三位諾獎得主開(kāi)創(chuàng )的薄層物質(zhì)“平面國”的奇特屬性。
北京晨報綜合報道
瑞典皇家科學(xué)院新聞公報
本年度諾貝爾物理學(xué)獎獲得者打開(kāi)了異物質(zhì)這扇未知世界的大門(mén)，這些物質(zhì)擁有假想的奇異特性。他們使用先進(jìn)的數學(xué)方法研究了超導體、超流體和薄膜磁性材料等物質(zhì)的反常階段和狀態(tài)。在他們開(kāi)拓性的研究下，當前對物質(zhì)的探索進(jìn)入了一個(gè)新的奇異階段。許多人對這些物質(zhì)未來(lái)在材料學(xué)和電子學(xué)中的應用滿(mǎn)懷信心。
應用物理學(xué)中的拓撲概念，對三位獲獎?wù)呷〉冒l(fā)現成果具有決定性意義。拓撲學(xué)是數學(xué)的一個(gè)分支，它描述的是物質(zhì)逐步演變的性質(zhì)。三位獲獎?wù)咭酝負鋵W(xué)為工具，這令評委會(huì )專(zhuān)家感到震驚。20世紀70年代初期，邁克爾科斯特利茨和戴維索利斯推翻了當時(shí)關(guān)于超導體和超流體無(wú)法在薄膜層中實(shí)現的理論。他們證明，超導體可以在低溫環(huán)境下實(shí)現，并解釋了其實(shí)現機制，以及使超導體在高溫中消失的相變問(wèn)題。
20世紀80年代，戴維索利斯得以用非常薄的導電層解釋之前的一個(gè)實(shí)驗。在這些導電層中，導電性可以用整數步驟精確測量出來(lái)。他證明了這些整數步驟是符合拓撲結構的。幾乎在同一時(shí)期，鄧肯霍爾丹發(fā)現了如何用這些拓撲概念理解一些物質(zhì)中發(fā)現的小磁鐵鏈的特性。
我們現在知道很多拓撲概念，不僅在薄導電層和線(xiàn)程中，也在普通的三維物質(zhì)中。過(guò)去的幾十年來(lái)，拓撲領(lǐng)域已經(jīng)促進(jìn)了凝固態(tài)物理學(xué)的前沿研究，不僅是因為拓撲材料可以用在新一代的電子工業(yè)和超導體中，更可以用在未來(lái)的量子計算機中。今年的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者們發(fā)現了一個(gè)奇妙世界，目前的研究正在解釋其中的秘密。
[物理學(xué)諾獎揭曉拓撲相變走紅：開(kāi)啟了未知世界]相關(guān)文章：
1.月相變化課件
4.散文：未知的遠方