2016年諾貝爾物理學獎解讀

如果一根繩子上打了個結,我們想解開這個結,卻發(fā)現(xiàn)繩子是首尾相連的,那么去除繩結的唯一辦法,就是把繩子割斷。物理學家用這個例子來比喻拓撲性質的堅固性。

2016年諾貝爾物理學獎授予三位在美國高校從事研究工作的科學家戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨,以表彰他們在物質的拓撲相變和拓撲相方面的理論發(fā)現(xiàn)。

正是這三人打開了一扇通向未知世界的大門——在那里,物質有著與我們的世界完全不同的奇異狀態(tài)。他們運用先進的數(shù)學方法,對超導體、超流體或薄磁膜等物質的異常狀態(tài)與階段進行了前所未有的探索。他們所做的先驅性工作,讓這方面的研究如今正向著物質的更多新奇性狀拓展。

拓撲描述了什么

拓撲學其實是從數(shù)學的角度看物理,它本是數(shù)學的一個分支,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。據(jù)諾貝爾獎評選委員會介紹,三名獲獎者正是將拓撲概念應用于物理研究,他們取得成就的關鍵在于發(fā)現(xiàn)物質的拓撲相變和拓撲相。

何為相變?物質從一種相轉變?yōu)榱硪环N相的過程。通常認為,物質分為固相、液相、氣相。而相變就是我們常見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,當物質變得極薄的情況下,譬如說在平面上,物質的相又是什么狀態(tài)呢?

據(jù)評選委員會介紹,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中,可以包含數(shù)百萬個原子,每個原子的行為都能用量子物理學來解釋,而很多原子結合的時候又會顯示出完全不同的特性。三位獲獎者的研究成果,正是揭示量子物態(tài)和量子相變中,拓撲性質起到怎樣的決定性作用。

發(fā)現(xiàn)全新物質形態(tài)

早在上世紀70年代,戴維·索利斯和邁克爾·科斯特利茨就用拓撲理論推翻了當時盛行的理論,即超導或超流體現(xiàn)象無法發(fā)生在薄層中。他們演示了低溫超導現(xiàn)象,并解釋了為何超導無法存在于高溫中的機制與相變。

到了上世紀80年代,戴維·索利斯已能解釋為何在以前的實驗中,超薄導電層的導電率可以實現(xiàn)整數(shù)級精確測量。他向世人展示了這種整數(shù)倍電導率正是這些材料天生的拓撲性質。而差不多在同一時期,鄧肯·霍爾丹發(fā)現(xiàn)了拓撲概念可以用來理解一些材料中發(fā)現(xiàn)的小磁鐵鏈的屬性,是原子磁性的不同導致這些鏈條呈現(xiàn)出完全不同的特性。

三位科學家采取不同的方式,利用拓撲發(fā)現(xiàn)全新的物質形態(tài)。對于這些成果,瑞典皇家科學院在新聞公報中說,得益于他們的研究,在過去的十年間,相關領域發(fā)展迅速。如今我們知道了很多拓撲相,這些相不僅存在于薄層(二維)和細線(一維)材料中,也存在于普通的三維材料中。科學家們現(xiàn)在可以探索物質的新相變,未來有望應用于激動人心的超導材料和電子學領域,甚至是量子計算機中。

冷門卻生動的研究

今年物理獎三位得主目前都在美國高校從事研究工作。他們利用高等數(shù)學方法發(fā)現(xiàn)了物質不尋常的階段和狀態(tài),這些數(shù)學理論在當時非常抽象,到現(xiàn)在依然冷門且不容易理解——就在諾貝爾物理學獎公布現(xiàn)場,評委會成員居然拿出一袋面包來解釋拓撲:分別是沒有洞的肉桂面包、一個洞的面包圈和兩個洞的椒鹽蝴蝶卷。因為在拓撲上,這幾種面包結構是完全不一樣的,你可以彎曲它、擠壓它,但無論如何,除非你動手撕開,否則無法改變面包的洞洞數(shù)量。

神奇的拓撲為物理學領域提供了一個重要的工具,其不僅在今天,甚至在久遠的未來都將發(fā)揮巨大作用。在諾獎現(xiàn)場電話連線中,本屆得主之一霍爾丹激動地表示,他的科研工作還在繼續(xù)進行中�；蛟S,為一個世人眼中冷門偏僻的領域奮斗終身,這段生涯漫長而勞累,他卻并不感到苦澀。