說人話！今年諾獎之拓撲相變到底何方神聖

瑞典皇家科學院向三位科學家授予了2016年諾貝爾物理學獎，以表彰他們在拓撲相變領域的研究成果，其中一半授予給戴維·索利斯（David J. Thouless），另一半授予給鄧肯·霍爾丹（ F. Duncan M. Haldane ）和米歇爾·科斯特里茲（J.MichaelKosterlitz），他們仨人的研究成果用大白話說就是摸透了物質的不同形態間到底咋轉換的。——路透社

對，就是下面這三枚！他們仨說來也巧，都在英國出生，現在也都在美國大學裡做自己的研究。

氣態、液態和固態的東西在我們日常生活中隨處可見，大部分物質也都以這三態的樣子存在，但在極端低溫或高溫的環境下，物質的形態也就會變得超出你我想像了。

這三個人呢，就用先進的數學模型證明了一些物質在特殊環境下能變得有點不正常。低溫時，原子會就變得非常扁平，扁平到就像是二維的樣子了，這種時候我們就能看到超導體——電流也就可以不受物質微粒的阻力在超導體中流動，還有超流體——一丁點摩擦力都沒有的漩渦也就可以不停地轉下去，真的是不停哦。

就像吃了炫邁，根本停不下來！

《衛報》上說：「在拓撲的世界裡，一般的導體轉變為超導體可能就像百吉餅變成麵包一樣。」當然事實上，用麵包這種比喻並不會讓人更容易明白拓撲是啥，但從本質上來看這就是一樣的，因為都是一種相變化的過程，只是比液體簡單迅速地凝固成固體更複雜，當然也更有意思。組委會用沒有洞的肉桂卷（cinnamon bun）、一個洞的麵包圈（bagel）和兩個洞的鹼水麵包（pretzel）解釋起了拓撲是什麼回事，在拓撲上，這幾種結構是完全不一樣的：洞的數量不同。

拓撲學是一個數學分支，它研究的是那些「不連續」的特徵。假設我有一個長方形，它可以變大一點點，變小一點點，粗一點點，細一點點，這樣的變化是連續的；拓撲學對此不關心。但如果我在長方形里挖了洞，那麼它要麼沒有洞，要麼有1個、2個、3個??，不能有1.5個或者3.14個。拓撲學關心的就是類似於這個洞的特徵。用數學的方法解釋清這種相變化背後的原理，這三個人可真的不簡單，因為他們讓這種變化變得不再讓人摸不著頭腦，而是可以預測甚至能去研究更深的東西了。

今年這三位諾貝爾物理獎得主的研究發現也會影響接下來的電子學。這不，科學家們就受這些研究發現所賜，馬上就開始對拓撲絕緣體表現出興趣了。拓撲絕緣體意味著僅允許電子在其表面活動，同時電子也到不了它裡面去。然而在一般情況下，物質不是絕緣體——電子想通過也通不過，就是導體——電子想不過去也得過去。現在有一種材料同時具有這兩種性質，這一下子就顛覆了我們平常知道的物理學常識。一些人們還想這種材料來研發量子計算機，不用想也知道會比我們現在用的計算機強大不知多少倍啦。

「當今時代的先進技術，就拿計算機來說，都建立在我們對材料特性的認識和應用上。」諾貝爾委員會代理主席尼爾斯·馬滕森在周二時說道，「今年的諾貝爾物理獎得主們在理論研究上揭示了物質特性中很多意料不到的現象，而且能用已經存在的數學概念——其實就是拓撲，來描述清楚。「

馬滕森說：「這項研究為其他創新特性材料的設計奠定了道路，而且也有很大希望能影響許多未來的科技。」

早在20世紀70年代初，科斯特里茲和索利斯就對薄層中的超導體和超流體進行了建模，推翻了之前此類物質結構不可能存在的理論。他們還證明了物質在低溫環境下也能具有超導特性，並解釋了這背後的原理，即「相變」原理，同時也解釋了高溫環境下超導特性消失的現象。

在20世紀80年代，鄧肯·霍爾丹發現拓撲概念可以解釋一些在某些材料中觀察到的小磁體鏈接起來的現象。

霍爾丹在美東時間凌晨約4:30時接到的獲獎通知電話，然後在斯德哥爾摩周二的宣布會上，他對媒體說了一些感想。

「我和所有人一樣都非常驚訝，當然也非常高興哈哈！」Haldane說。

當談到自己的研究時，他表示：「這項研究其實是很久之前的事了，但直到最近，很多大發現都以這個為基礎才得以實現，所以在很多方面也延伸了這項研究的意義。」

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去年的諾貝爾物理學獎被授予給了東京大學的梶田隆章和加拿大女王大學的阿瑟·麥克唐納（Arthur B. McDonald），以表彰他們對組成宇宙的亞原子——中微子的研究。此前人們一直認為中微子沒有質量，而這兩人的研究則證明了中微子實際上是有質量的。

我們都知道諾貝爾獎是由瑞典發明家阿爾弗雷德·諾貝爾於1895年創立的，1901年首次頒獎。今年的獎金高達八百萬瑞典克朗，相當於93.7萬美元。根據瑞典皇家學會的規定，獎金將會平分兩次——索利斯將會獲得八百萬克朗的一半，即46.4萬美元，因為他在各方面都做出了「決定性的貢獻」，霍爾丹和科斯特里茲會平分剩下的46.4萬美元。

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