秦雪/編譯
三位美國拓?fù)湎嘧冄芯空攉@2016年諾貝爾物理學(xué)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(xué)院于10月4日宣布授予三位美國科學(xué)家2016年諾貝爾物理學(xué)獎,以表彰他們在拓?fù)鋵W(xué)領(lǐng)域做出的貢獻(xiàn),拓?fù)鋵W(xué)是描述增量導(dǎo)致特性變化的一個數(shù)學(xué)分支。這三位科學(xué)家都出生于英國,如今分別在美國華盛頓大學(xué)、普林斯頓大學(xué)和布朗大學(xué)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(xué)獎的這三位物理學(xué)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(dǎo)體、超流體和磁性薄膜。
華盛頓大學(xué)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(xué)的鄧肯·霍爾丹和布朗大學(xué)的邁克爾·科斯特利茨共享另一半獎金。
瑞典皇家科學(xué)院稱,這三位科學(xué)家依靠先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型研究發(fā)現(xiàn)了“拓?fù)湎嘧兒臀镔|(zhì)拓?fù)湎嗬碚摗?。他們的研究將主要?yīng)用于電子技術(shù)、材料科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)。芝加哥大學(xué)的物理學(xué)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(xué)應(yīng)用實(shí)踐和基本理論產(chǎn)生長期影響的一個真正轉(zhuǎn)折點(diǎn)”。
獲得今年諾貝爾物理學(xué)獎的這三位物理學(xué)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(jī)碰撞的特性而產(chǎn)生奇異量子效應(yīng)的秘密。在超導(dǎo)體中,所有的電阻都會消失,就是其中的一個例子。
20世紀(jì)70年代,索利斯博士和科斯特利茨博士在英國伯明翰大學(xué)一起進(jìn)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(dǎo)體,轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N奇異物相的。
他們成功的關(guān)鍵在于對拓?fù)鋵W(xué)理論的研究和突破,拓?fù)鋵W(xué)是研究物體基本形態(tài)的一個數(shù)學(xué)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(xué)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?fù)鋵W(xué)。
他說,對于拓?fù)鋵W(xué)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(guān)注的一些特征,如它們是咸味的還是甜味的。拓?fù)鋵W(xué)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(yīng),在這種效應(yīng)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(xué)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(xué)家陳省身的名字命名的描述拓?fù)湫螤畹囊环N數(shù)學(xué)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?;魻柕ふJ(rèn)為,未來有一天,這種特性有可能成為新一代計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。
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?fù)浣^緣體的新材料,這種材料的導(dǎo)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(lǐng)域內(nèi)的研究風(fēng)暴,盡管具體應(yīng)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(jìn)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(jì)算機(jī)芯片研究對于如今科技發(fā)展的深遠(yuǎn)意義一樣?!泵绹锢韺W(xué)會會長勞拉·格林(Laura H.Greene)說道。
索利斯博士,現(xiàn)年82歲,出生于蘇格蘭貝爾斯登,劍橋大學(xué)本科畢業(yè),1958年在康奈爾大學(xué)獲博士學(xué)位。1965年至1978年在英國伯明翰大學(xué)教授數(shù)理物理學(xué),在那里與科斯特利茲進(jìn)行合作研究。1980年加入華盛頓大學(xué)西雅圖分校,如今為該校名譽(yù)教授。
霍爾丹博士,現(xiàn)年65歲,出生于英國倫敦。從劍橋大學(xué)本科畢業(yè),并于1978年在劍橋大學(xué)獲博士學(xué)位。曾先后在法國一家研究所、美國南加州大學(xué)、貝爾實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)圣地亞哥分校工作,1990年加入普林斯頓大學(xué)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(xué)獲高能物理博士學(xué)位。曾先后在伯明翰大學(xué)、意大利都靈理論物理研究所、康奈爾大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、貝爾實(shí)驗(yàn)室和哈佛大學(xué)工作。
[資料來源:New York Times][責(zé)任編輯:彥隱]