拓?fù)鋵W(xué)其實(shí)是從數(shù)學(xué)的角度看物理,它本是數(shù)學(xué)的一個(gè)分支,主要研究的是幾何圖形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的性質(zhì)。據(jù)諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)介紹,三名獲獎(jiǎng)?wù)哒菍⑼負(fù)涓拍顟?yīng)用于物理研究,他們?nèi)〉贸删偷年P(guān)鍵在于發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎唷?/p>

何為相變?物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過(guò)程。通常認(rèn)為,物質(zhì)分為固相、液相、氣相。而相變就是我們常見(jiàn)的固體冰融化成液體的水,液體的水又可以變成水蒸氣等等。但是,當(dāng)物質(zhì)變得極薄的情況下,譬如說(shuō)在平面上,物質(zhì)的相又是什么狀態(tài)呢?

據(jù)評(píng)選委員會(huì)介紹,平面中的物理現(xiàn)象和人們熟知的常規(guī)世界的大相徑庭。在分布非常稀少的物質(zhì)中,可以包含數(shù)百萬(wàn)個(gè)原子,每個(gè)原子的行為都能用量子物理學(xué)來(lái)解釋,而很多原子結(jié)合的時(shí)候又會(huì)顯示出完全不同的特性。三位獲獎(jiǎng)?wù)叩难芯砍晒?正是揭示量子物態(tài)和量子相變中,拓?fù)湫再|(zhì)起到怎樣的決定性作用。

發(fā)現(xiàn)全新物質(zhì)形態(tài)

早在上世紀(jì)70年代,戴維·索利斯和邁克爾·科斯特利茨就用拓?fù)淅碚撏品水?dāng)時(shí)盛行的理論,即超導(dǎo)或超流體現(xiàn)象無(wú)法發(fā)生在薄層中。他們演示了低溫超導(dǎo)現(xiàn)象,并解釋了為何超導(dǎo)無(wú)法存在于高溫中的機(jī)制與相變。

到了上世紀(jì)80年代,戴維·索利斯已能解釋為何在以前的實(shí)驗(yàn)中,超薄導(dǎo)電層的導(dǎo)電率可以實(shí)現(xiàn)整數(shù)級(jí)精確測(cè)量。他向世人展示了這種整數(shù)倍電導(dǎo)率正是這些材料天生的拓?fù)湫再|(zhì)。而差不多在同一時(shí)期,鄧肯·霍爾丹發(fā)現(xiàn)了拓?fù)涓拍羁梢杂脕?lái)理解一些材料中發(fā)現(xiàn)的小磁鐵鏈的屬性,是原子磁性的不同導(dǎo)致這些鏈條呈現(xiàn)出完全不同的特性。

三位科學(xué)家采取不同的方式,利用拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)全新的物質(zhì)形態(tài)。對(duì)于這些成果,瑞典皇家科學(xué)院在新聞公報(bào)中說(shuō),得益于他們的研究,在過(guò)去的十年間,相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展迅速。如今我們知道了很多拓?fù)湎?這些相不僅存在于薄層(二維)和細(xì)線(一維)材料中,也存在于普通的三維材料中。科學(xué)家們現(xiàn)在可以探索物質(zhì)的新相變,未來(lái)有望應(yīng)用于激動(dòng)人心的超導(dǎo)材料和電子學(xué)領(lǐng)域,甚至是量子計(jì)算機(jī)中。

冷門卻生動(dòng)的研究

今年物理獎(jiǎng)三位得主目前都在美國(guó)高校從事研究工作。他們利用高等數(shù)學(xué)方法發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)不尋常的階段和狀態(tài),這些數(shù)學(xué)理論在當(dāng)時(shí)非常抽象,到現(xiàn)在依然冷門且不容易理解——就在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)公布現(xiàn)場(chǎng),評(píng)委會(huì)成員居然拿出一袋面包來(lái)解釋拓?fù)?分別是沒(méi)有洞的肉桂面包、一個(gè)洞的面包圈和兩個(gè)洞的椒鹽蝴蝶卷。因?yàn)樵谕負(fù)渖?這幾種面包結(jié)構(gòu)是完全不一樣的,你可以彎曲它、擠壓它,但無(wú)論如何,除非你動(dòng)手撕開(kāi),否則無(wú)法改變面包的洞洞數(shù)量。

神奇的拓?fù)錇槲锢韺W(xué)領(lǐng)域提供了一個(gè)重要的工具,其不僅在今天,甚至在久遠(yuǎn)的未來(lái)都將發(fā)揮巨大作用。在諾獎(jiǎng)現(xiàn)場(chǎng)電話連線中,本屆得主之一霍爾丹激動(dòng)地表示,他的科研工作還在繼續(xù)進(jìn)行中�；蛟S,為一個(gè)世人眼中冷門偏僻的領(lǐng)域奮斗終身,這段生涯漫長(zhǎng)而勞累,他卻并不感到苦澀。