戴維·索利斯　鄧肯·霍爾丹　邁克爾·科斯特利茨

    2016年諾貝爾物理學獎授予三位科學家——戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)拓撲相，以及在拓撲相變方面作出的理論貢獻。這三名科學家均在英國出生，目前分別在美國的華盛頓大學、普林斯頓大學、布朗大學從事研究工作。

    瑞典皇家科學院在新聞公報中說，今年的獲獎研究成果開啟了一個未知世界的領(lǐng)域。

    開創(chuàng)物質(zhì)拓撲相研究何為“拓撲”？斯坦福大學物理學教授張首晟介紹，拓撲是一個幾何學概念，描述的是幾何圖案或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的性質(zhì)。“很多美國人吃點心時，右手拿著一只咖啡杯，左手拿著一個面包圈，這兩樣東西的形狀看上去完全不一樣，但它們的拓撲性質(zhì)是一樣的，面包圈可以通過一系列形變，變成咖啡杯。”物理學界公認，索利斯、霍爾丹和科斯特利茨在上世紀70—80年代做的一系列研究，首次將拓撲學原理引入凝聚態(tài)物理學的基礎理論，具有開創(chuàng)性意義。

    所謂“相變”，是物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過程，并伴隨物質(zhì)性質(zhì)的改變。物質(zhì)系統(tǒng)中，物理、化學性質(zhì)完全相同，與其他部分具有明顯分界面的均勻部分稱為“相”。

    復旦大學物理學系教授陳鋼介紹，上世紀70年代，索利斯和科斯特利茨合作，在研究二維材料有限溫度下的超流體相變時，發(fā)現(xiàn)了“KT相變”（以兩人姓氏的首字母命名）。上世紀80年代初，索利斯等人用拓撲學原理描述整數(shù)量子霍爾效應的TKNN不變量。

    霍爾丹之所以被授予諾獎，也與“拓撲”有關(guān)。上世紀80年代，他系統(tǒng)地研究了一種一維線性材料的“量子自旋鏈”，指出了這種物理現(xiàn)象背后的拓撲原因。

    有望催生量子計算機這些關(guān)于物質(zhì)拓撲相的開創(chuàng)性研究，給凝聚態(tài)物理學帶來了深遠影響，也為一系列“超級材料”的研發(fā)奠定了基礎。上海交通大學物理與天文系教授王孝群表示，如今物理學界研究的一大熱點“拓撲絕緣體”，就與三位諾獎得主的貢獻有關(guān)。

    據(jù)介紹，拓撲絕緣體的體內(nèi)與普通絕緣體一樣，是不導電的，但是在它的邊界或表面存在導電的邊緣態(tài)。在這類神奇的材料上，不同自旋的導電電子的運動方向相反，所以信息的傳遞可以通過電子自旋，而不像傳統(tǒng)材料那樣通過電荷，所以不涉及耗散過程。在這一領(lǐng)域做出重要貢獻的張首晟以芯片為例，解釋說：“電子在芯片里的運動，就像一輛輛跑車在集市里行駛，不斷地碰撞，產(chǎn)生熱量。你們把筆記本電腦放在腿上，時間一長就感覺很燙。正是電子間碰撞產(chǎn)生的熱量，導致摩爾定律將失效。”而拓撲絕緣體好似為電子建立了高速公路，讓電子在一條條“單向車道”上運行。如果用這類材料制造芯片，計算機、手機等電子設備的性能有望大幅提升。科技界還有望利用拓撲絕緣體制造出量子計算機。

    物理學家眼中的“漂亮”

    “我覺得，這三位‘大牛’得諾獎，似乎有些遲了，”復旦大學物理學系教授孔令欣說。在她看來，理論物理學界對物質(zhì)的“相”的認知，因拓撲相變理論，而產(chǎn)生了新的活力，獲得了新的視角。

    “盲人摸象”的故事聽到過嗎？理論物理學界關(guān)于物相的認知的傳統(tǒng)方法，在假設其對稱性支配關(guān)系的前提下，是一種局部的測量，即測量一部分，進而以此描述物質(zhì)全部。然而，隨著全新的拓撲相變理論的提出，測量的要求向“關(guān)注”整體轉(zhuǎn)化。這種站在新的維度上的測量和定義，已經(jīng)給世界帶來一大批新的物相，而這些基礎理論的新發(fā)現(xiàn)，一部分可能對于量子計算、量子信息產(chǎn)生極大影響。當然，目前其中可能還有相當大一部分是“無用的”，但過去的經(jīng)驗早就告訴我們，當下的無用，也代表著無限的未知。

    而今，許多物理研究學者，喜歡用“漂亮”來形容拓撲相變理論及其應用的一系列拓展研究。這個充滿著艱深術(shù)語和抽象定義的領(lǐng)域，為何是“漂亮”的呢？孔令欣解釋，拓撲相變理論蘊含的拓撲學原理，只考慮物體間位置關(guān)系而不考慮它們的形狀和大小。將深奧的理論與幾何圖形的暢想相聯(lián)系，在她眼中是一種美。更重要的是，拓撲相變理論中，對拓撲相、拓撲態(tài)的描述，只需很少的資訊信息，即可解釋復雜變換的相變，這種化繁為簡，更是一種大美。

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