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科學(xué)前沿

理論發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的拓?fù)湎嗪屯負(fù)湎嘧?br/>——2016年諾貝爾物理學(xué)獎簡介

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1 2016年諾貝爾物理學(xué)獎

3名科學(xué)家分享了2016年諾貝爾物理學(xué)獎．獲獎理由是“理論發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的拓?fù)湎嗪屯負(fù)湎嘧儭保?位獲獎?wù)呤牵?/p>

大衛(wèi)-索利斯(David Thouless)，1934年出生于英國貝爾斯登，1958年從美國康奈爾大學(xué)獲得博士學(xué)位．目前為美國華盛頓大學(xué)榮譽(yù)退休教授(圖1)．

圖1 大衛(wèi)-索利斯

鄧肯-霍爾丹(Duncan Haldane)，1951年出生于英國倫敦，1978年從英國劍橋大學(xué)獲得博士學(xué)位．目前為美國普林斯頓大學(xué)物理學(xué)教授(圖2)．

圖2 鄧肯-霍爾丹

邁克爾-科斯特利茨(Michael Kosterlitz)，1942年出生于英國阿伯丁，1969年從英國牛津大學(xué)獲得博士學(xué)位．目前為美國布朗大學(xué)物理學(xué)教授(圖3)．

圖3 邁克爾-科斯特利茨

諾獎官網(wǎng)公告稱：本年度諾貝爾物理學(xué)獎獲得者打開了奇異物質(zhì)這扇未知世界的大門，這些物質(zhì)擁有假想的奇異特性．他們使用先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法研究了超導(dǎo)體、超流體和薄膜磁性材料等物質(zhì)的反常階段和狀態(tài)．在他們開拓性的研究下，當(dāng)前對物質(zhì)的探索進(jìn)入了一個新的奇異階段．

其中所謂先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法指的是拓?fù)鋵W(xué)，3個人最主要的貢獻(xiàn)就是把拓?fù)涞母拍顟?yīng)用到物理學(xué)，發(fā)現(xiàn)了新的物質(zhì)形態(tài)——拓?fù)湎啵?/p>

2 拓?fù)湎嗯c拓?fù)湎嘧?/h2>

2.1 拓?fù)鋵W(xué)的基本特點(diǎn)

拓?fù)鋵W(xué)(Topology)是研究幾何圖形或空間在連續(xù)改變(拉伸、扭曲或變形等)形狀后還能保持不變的一些性質(zhì)的學(xué)科．拓?fù)鋵W(xué)是19世紀(jì)形成的一門數(shù)學(xué)分支，它屬于幾何學(xué)的范疇．拓?fù)鋵W(xué)通過一些基本特征如坑洞的數(shù)量，來描述形狀和結(jié)構(gòu)．它只考慮物體間的位置關(guān)系而不考慮它們的形狀和大小．從拓?fù)浞矫鎭碚f，一只馬克杯和一個硬面包圈是一樣的，因為它們都只有一個開口，而蝴蝶脆餅則不同，因為它有兩個開口．在拓?fù)鋵W(xué)里不討論兩個圖形全等的概念，但是討論拓?fù)涞葍r的概念.比如，圓和方形、三角形的形狀、大小不同，但在拓?fù)渥儞Q下，它們都是等價圖形；足球和橄欖球，也是等價的——從拓?fù)鋵W(xué)的角度看，它們的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是完全一樣的.而游泳圈的表面和足球的表面則有不同的拓?fù)湫再|(zhì)，比如游泳圈中間有個“洞”.在拓?fù)鋵W(xué)中，足球所代表的空間叫做球面，游泳圈所代表的空間叫環(huán)面，球面和環(huán)面是“不同”的空間.

2.2 相與相變

一個處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)的物質(zhì)系統(tǒng)，可以是一個各處物理和化學(xué)性質(zhì)都相同的均勻系；也可以由若干個有邊界可分的均勻的部分組成，各部分之間的性質(zhì)存在著差別；每一個均勻的部分叫做一個相．前類系統(tǒng)稱為單相系；后類系統(tǒng)稱為復(fù)相系．不同相之間發(fā)生的轉(zhuǎn)變稱為相變．

2.3 拓?fù)湎嗯c拓?fù)湎嘧?/p>

固體、液體、氣體之間的相變大家都很熟悉，但是在低溫或高溫狀態(tài)下，某些物質(zhì)呈現(xiàn)出了我們從未見過的“相”．當(dāng)物質(zhì)變得很薄的時候，它們的特征會發(fā)生有趣的改變．人們曾經(jīng)認(rèn)為，對于很薄層的物質(zhì)，分子的隨機(jī)運(yùn)動會讓它陷入無序之中，所以不會遵循任何規(guī)律，或者說，沒有任何有序的“相”．那么，自然也就談不上“相變”．

但是20世紀(jì)70年代，大衛(wèi)-索利斯和邁克爾-科斯特利茨發(fā)現(xiàn)并非如此，只要溫度足夠低，它們也可以是有序的，也有“相”；非但如此，它們的“相變”還特別奇異，與日常里冰變成水那種“相變”很不一樣．決定這一“相變”的因素是薄層物質(zhì)上的“旋”；當(dāng)溫度上升的時候，本來成對出現(xiàn)的“旋”突然都分開了．這樣的“相”與“相變”被稱為“拓?fù)湎唷迸c “拓?fù)湎嘧儭?，因為它們是用拓?fù)鋵W(xué)來描述的．

3 獲獎?wù)叩闹饕删?/h2>

在20世紀(jì)70年代早期，當(dāng)時的理論認(rèn)為超導(dǎo)現(xiàn)象和超流體現(xiàn)象不可能在薄層中產(chǎn)生，而邁克爾-科斯特利茨和大衛(wèi)-索利斯(科斯特利茨做博士后時的指導(dǎo)教授)用拓?fù)淅碚撏品松鲜鲇^點(diǎn)，證明超導(dǎo)現(xiàn)象能夠在低溫下產(chǎn)生，并闡釋了超導(dǎo)現(xiàn)象在較高溫度下也能通過相變而產(chǎn)生的機(jī)制．

20世紀(jì)80年代，大衛(wèi)-索利斯成功地解釋了之前的一個實驗，即超薄導(dǎo)電層中的電導(dǎo)系數(shù)可被精確測量到整數(shù)并證明了這些整數(shù)在自然屬性中處于拓?fù)錉顟B(tài)．

也是在20世紀(jì)80年代，鄧肯-霍爾丹發(fā)現(xiàn)，可以用拓?fù)鋵W(xué)來理解某些材料中的小磁體鏈的性質(zhì)．他還在量子霍爾效應(yīng)方面做了許多開創(chuàng)性工作.

因為大衛(wèi)-索利斯參與了兩項工作，所以獨(dú)享一半獎金，鄧肯-霍爾丹與邁克爾-科斯特利茨則分享另一半獎金．

4 理論發(fā)現(xiàn)的深遠(yuǎn)意義

關(guān)于物質(zhì)的拓?fù)湎嗪屯負(fù)湎嘧兊拈_創(chuàng)性研究，給凝聚態(tài)物理學(xué)帶來了深遠(yuǎn)影響，也為一系列“超級材料”的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)．

拓?fù)湎嗯c拓?fù)湎嘧兊囊胧刮覀儗ξ镔|(zhì)的認(rèn)識進(jìn)一步深化，從而導(dǎo)致許多新型物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)與發(fā)明.例如，當(dāng)今成為物理學(xué)界研究的熱點(diǎn)的拓?fù)浣^緣體、熱爾半金屬、量子反?；舳?yīng)等都是新發(fā)現(xiàn)或發(fā)明的拓?fù)湎辔镔|(zhì).拿拓?fù)浣^緣體來說，按照導(dǎo)電性質(zhì)的不同，材料可分為“金屬”和“絕緣體”兩大類；而更進(jìn)一步，根據(jù)電子態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)的不同，“絕緣體”和“金屬”還可以進(jìn)行更細(xì)致的劃分.拓?fù)浣^緣體就是根據(jù)這樣的新標(biāo)準(zhǔn)而劃分的區(qū)別于其他普通絕緣體的一類絕緣體.拓?fù)浣^緣體的體內(nèi)與普通絕緣體一樣，是不導(dǎo)電的，但是在它的邊界或表面存在導(dǎo)電的邊緣態(tài).在這類神奇的材料上，不同自旋的導(dǎo)電電子的運(yùn)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，所以不涉及熱耗散過程.如果用這類材料制造芯片，計算機(jī)等電子器件的性能有望大幅提升.從長遠(yuǎn)來說，還有望利用拓?fù)浣^緣體制造出量子計算機(jī).

總之，今年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者們的發(fā)現(xiàn)，為我們打開了一個未知的世界，在這個世界，物質(zhì)可以以一種奇怪的拓?fù)錉顟B(tài)存在．目前的研究正在揭示并解釋其中的全部秘密，走進(jìn)一個新的奇妙形態(tài)的物質(zhì)世界！