“拓撲”讓人看到物質更多新特性

　　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,卻發現繩子是首尾相連的,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現。

　　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。他們運用先進的數學方法,對超導體、超流體或薄磁膜等物質的異常狀態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

　　拓撲學其實是從數學的角度看物理,它本是數學的一個分支,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。據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現物質的拓撲相變和拓撲相。

　　何為相變?物質從一種相轉變為另一種相的過程。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呢?

　　據評選委員會介紹,平面中的物理現象和人們熟知的常規世界的大相徑庭。在分布非常稀少的物質中,可以包含數百萬個原子,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,正是揭示量子物態和量子相變中,拓撲性質起到怎樣的決定性作用。

　　發現全新物質形態

　　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,即超導或超流體現象無法發生在薄層中。他們演示了低溫超導現象,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整數級精確測量。他向世人展示了這種整數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·霍爾丹發現了拓撲概念可以用來理解一些材料中發現的小磁鐵鏈的屬性,是原子磁性的不同導致這些鏈條呈現出完全不同的特性。

　　三位科學家采取不同的方式,利用拓撲發現全新的物質形態。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。他們利用高等數學方法發現了物質不尋常的階段和狀態,這些數學理論在當時非常抽象,到現在依然冷門且不容易理解——就在諾貝爾物理學獎公布現場,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揮巨大作用。在諾獎現場電話連線中,本屆得主之一霍爾丹激動地表示,他的科研工作還在繼續進行中。或許,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。