秦雪/編譯

三位美國拓撲相變研究者獲2016年諾貝爾物理學獎

秦雪/編譯

邁克爾·科斯特利茨、戴維·索利斯和鄧肯·霍爾丹

瑞典皇家科學院于10月4日宣布授予三位美國科學家2016年諾貝爾物理學獎，以表彰他們在拓撲學領域做出的貢獻，拓撲學是描述增量導致特性變化的一個數(shù)學分支。這三位科學家都出生于英國，如今分別在美國華盛頓大學、普林斯頓大學和布朗大學從事研究工作，他們是戴維·索利斯（David J.Thouless）、鄧肯·霍爾丹（F.Duncan M. Haldane）和邁克爾·科斯特利茨（J.Michael Kosterlitz）。

被授予諾貝爾物理學獎的這三位物理學家研究的是物質(zhì)在極端狀態(tài)下的一些奇異特性，包括超導體、超流體和磁性薄膜。

華盛頓大學的戴維·索利斯獲本屆諾貝爾獎獎金800萬瑞典克朗（約合93萬美元）的一半，普林斯頓大學的鄧肯·霍爾丹和布朗大學的邁克爾·科斯特利茨共享另一半獎金。

瑞典皇家科學院稱，這三位科學家依靠先進的數(shù)學模型研究發(fā)現(xiàn)了“拓撲相變和物質(zhì)拓撲相理論”。他們的研究將主要應用于電子技術(shù)、材料科學和計算機科學。芝加哥大學的物理學家邁克爾·特納（Michael S.Turner）在一封電子郵件中稱，他們的研究是“對物理學應用實踐和基本理論產(chǎn)生長期影響的一個真正轉(zhuǎn)折點”。

成就介紹

獲得今年諾貝爾物理學獎的這三位物理學家一直在努力探索和破解物質(zhì)在超冷和超薄狀態(tài)下，如何克服原子在常態(tài)下隨機碰撞的特性而產(chǎn)生奇異量子效應的秘密。在超導體中，所有的電阻都會消失，就是其中的一個例子。

20世紀70年代，索利斯博士和科斯特利茨博士在英國伯明翰大學一起進行合作研究，探索在什么情況或條件下，二維薄膜會產(chǎn)生物質(zhì)相變，即從某個奇異的物相，如超導體，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N奇異物相的。

他們成功的關鍵在于對拓撲學理論的研究和突破，拓撲學是研究物體基本形態(tài)的一個數(shù)學分支。在斯德哥爾摩舉行的諾貝爾獎新聞發(fā)布會上，諾貝爾物理學獎評選委員會的一位成員托爾斯·漢森（Thors Hans Hansson）手拿一個肉桂面包、一個百吉餅和一個脆餅，來解釋說明什么是拓撲學。

他說，對于拓撲學家來說，它們之間唯一的區(qū)別是這幾種面食中孔洞的數(shù)量，而不是普通人所關注的一些特征，如它們是咸味的還是甜味的。拓撲學家會注意到，這些孔洞都沒有半個的，孔的數(shù)量皆呈整數(shù)級階梯式變化。

由控制原子行為奇特規(guī)則所決定的超薄超小物質(zhì)的奇特物態(tài)變化的宏觀特性，同樣亦呈現(xiàn)階梯式的“量子躍遷”模式。

一個例子是量子霍爾效應，在這種效應中，薄膜的電阻變化也是呈階梯式的。1983年，索利斯博士成功地以數(shù)學方法將這種變化與“陳數(shù)”之間建立起聯(lián)系，“陳數(shù)”是以數(shù)學家陳省身的名字命名的描述拓撲形狀的一種數(shù)學理論。

霍爾丹博士以類似的方法來分析超薄物質(zhì)原子鏈的特性，超薄物質(zhì)薄到極致之時可被視為一維線程，例如根據(jù)量子引力理論，時空結(jié)構(gòu)就是由一維量子線編織而成的。霍爾丹認為，未來有一天，這種特性有可能成為新一代計算機的基礎。

過去十年里，這一研究成果已被用來開發(fā)了一種被稱為拓撲絕緣體的新材料，這種材料的導電性能存在于它的表面而不是其內(nèi)部。

“他們的成果引發(fā)了這一領域內(nèi)的研究風暴，盡管具體應用還有待開發(fā)，但我相信這只是時間問題，他們的研究成果將帶來的未來科技的進步是我們今天所難以想象的，就像很多年前開始的激光和計算機芯片研究對于如今科技發(fā)展的深遠意義一樣。”美國物理學會會長勞拉·格林（Laura H.Greene）說道。

獲獎物理學家

索利斯博士，現(xiàn)年82歲，出生于蘇格蘭貝爾斯登，劍橋大學本科畢業(yè)，1958年在康奈爾大學獲博士學位。1965年至1978年在英國伯明翰大學教授數(shù)理物理學，在那里與科斯特利茲進行合作研究。1980年加入華盛頓大學西雅圖分校，如今為該校名譽教授。

霍爾丹博士，現(xiàn)年65歲，出生于英國倫敦。從劍橋大學本科畢業(yè)，并于1978年在劍橋大學獲博士學位。曾先后在法國一家研究所、美國南加州大學、貝爾實驗室和加州大學圣地亞哥分校工作，1990年加入普林斯頓大學任教。

科斯特利茨博士，現(xiàn)年73歲，出生于英格蘭亞伯丁郡，1969年在牛津大學獲高能物理博士學位。曾先后在伯明翰大學、意大利都靈理論物理研究所、康奈爾大學、普林斯頓大學、貝爾實驗室和哈佛大學工作。

[資料來源：New York Times][責任編輯：彥隱]