“拓扑”让人看到物质更多新特性

2016年诺贝尔物理学奖解读

如果一根绳子上打了个结,我们想解开这个结,却发现绳子是首尾相连的,那么去除绳结的唯一办法,就是把绳子割断。物理学家用这个例子来比喻拓扑性质的坚固性。

2016年诺贝尔物理学奖授予三位在美国高校从事研究工作的科学家戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨,以表彰他们在物质的拓扑相变和拓扑相方面的理论发现。

正是这三人打开了一扇通向未知世界的大门——在那里,物质有着与我们的世界完全不同的奇异状态。他们运用先进的数学方法,对超导体、超流体或薄磁膜等物质的异常状态与阶段进行了前所未有的探索。他们所做的先驱性工作,让这方面的研究如今正向着物质的更多新奇性状拓展。

拓扑描述了什么

拓扑学其实是从数学的角度看物理,它本是数学的一个分支,主要研究的是几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的性质。据诺贝尔奖评选委员会介绍,三名获奖者正是将拓扑概念应用于物理研究,他们取得成就的关键在于发现物质的拓扑相变和拓扑相。

何为相变?物质从一种相转变为另一种相的过程。通常认为,物质分为固相、液相、气相。而相变就是我们常见的固体冰融化成液体的水,液体的水又可以变成水蒸气等等。但是,当物质变得极薄的情况下,譬如说在平面上,物质的相又是什么状态呢?

据评选委员会介绍,平面中的物理现象和人们熟知的常规世界的大相径庭。在分布非常稀少的物质中,可以包含数百万个原子,每个原子的行为都能用量子物理学来解释,而很多原子结合的时候又会显示出完全不同的特性。三位获奖者的研究成果,正是揭示量子物态和量子相变中,拓扑性质起到怎样的决定性作用。

发现全新物质形态

早在上世纪70年代,戴维·索利斯和迈克尔·科斯特利茨就用拓扑理论推翻了当时盛行的理论,即超导或超流体现象无法发生在薄层中。他们演示了低温超导现象,并解释了为何超导无法存在于高温中的机制与相变。

到了上世纪80年代,戴维·索利斯已能解释为何在以前的实验中,超薄导电层的导电率可以实现整数级精确测量。他向世人展示了这种整数倍电导率正是这些材料天生的拓扑性质。而差不多在同一时期,邓肯·霍尔丹发现了拓扑概念可以用来理解一些材料中发现的小磁铁链的属性,是原子磁性的不同导致这些链条呈现出完全不同的特性。

三位科学家采取不同的方式,利用拓扑发现全新的物质形态。对于这些成果,瑞典皇家科学院在新闻公报中说,得益于他们的研究,在过去的十年间,相关领域发展迅速。如今我们知道了很多拓扑相,这些相不仅存在于薄层(二维)和细线(一维)材料中,也存在于普通的三维材料中。科学家们现在可以探索物质的新相变,未来有望应用于激动人心的超导材料和电子学领域,甚至是量子计算机中。

冷门却生动的研究

今年物理奖三位得主目前都在美国高校从事研究工作。他们利用高等数学方法发现了物质不寻常的阶段和状态,这些数学理论在当时非常抽象,到现在依然冷门且不容易理解——就在诺贝尔物理学奖公布现场,评委会成员居然拿出一袋面包来解释拓扑:分别是没有洞的肉桂面包、一个洞的面包圈和两个洞的椒盐蝴蝶卷。因为在拓扑上,这几种面包结构是完全不一样的,你可以弯曲它、挤压它,但无论如何,除非你动手撕开,否则无法改变面包的洞洞数量。

神奇的拓扑为物理学领域提供了一个重要的工具,其不仅在今天,甚至在久远的未来都将发挥巨大作用。在诺奖现场电话连线中,本届得主之一霍尔丹激动地表示,他的科研工作还在继续进行中。或许,为一个世人眼中冷门偏僻的领域奋斗终身,这段生涯漫长而劳累,他却并不感到苦涩。