物理學諾獎揭曉後拓撲相變火：開啟了一個未知世界

三名科學家獲殊榮瑞典皇家科學院4日宣布，將2016年諾貝爾物理學獎授予戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨這三名科學家，以表彰他們在物質的拓撲相變和拓撲相方面的理論發現。

研究成果開啟未知世界

這三名科學家均在英國出生，目前在美國從事研究工作。

瑞典皇家科學院常任秘書戈蘭·漢松當地時間11時45分（北京時間17時45分）在皇家科學院會議廳公布了獲獎者名單及主要成就。

拓撲學是數學的一個分支，它主要研究的是幾何圖形或空間在連續改變形狀後還能保持不變的性質。據諾貝爾獎評選委員會介紹，三名獲獎者將拓撲概念應用於物理研究，這是他們取得成就的關鍵。

上世紀70年代，索利斯和科斯特利茨用拓撲理論推翻了當時超導性和超流體不能在薄層中存在的理論，並證明了超導性可在低溫狀態存在，解釋了其在溫度升高時消失的機制與相變。相變指的就是物質從一種相轉變為另一種相的過程，而物質分固相、液相、氣相這三種。

到了80年代，索利斯又對之前的一項實驗做出解釋，即超薄導電層的導電率可以實現整數級精確度量，證明了這些整數本身的自然屬性都是拓撲狀態。幾乎同一時期，霍爾丹發現可以利用拓撲概念來解釋一些材料中存在的小磁鐵鏈的特性。

瑞典皇家科學院在新聞公報中說，今年的獲獎研究成果開啟了一個未知世界的領域，得益於他們開創性的研究，科學家們現在可以探索物質的新相變，未來有望應用於材料科學和電子學領域。

「你看我並沒有昏過去」

霍爾丹得知獲獎後非常激動，在現場電話連線中表示，評委會把他們的研究成果總結得很精闢，這對目前拓撲相領域的研究產生了很大影響，也為尋找更多新材料提供了更多可能性，很多相關科研工作正在繼續進行中。

霍爾丹在接到獲獎電話時還開玩笑表示：「對於獲獎，我比較英國，或者說有點冷漠吧。所以你看我並沒有昏過去或其他表現。」

今年諾貝爾物理學獎獎金共800萬瑞典克朗（約合93.33萬美元），索利斯將獲得其中一半，霍爾丹與科斯特利茨將共享另一半。

背景資料

戴維·索利斯：1934年出生於蘇格蘭，華盛頓大學教授，理論凝聚態物理學家，因KT相變而著稱，在獲得諾獎之前還獲得了1990年的沃爾夫獎、1993年的保羅·狄拉克獎等。

鄧肯·霍爾丹：普林斯頓大學物理學教授，理論物理學家，英國皇家學會會員，在凝聚態物理理論作出基礎性貢獻，包括分數量子霍爾效應。

邁克爾·科斯特利茨：布朗大學物理學教授，其研究方向主要是凝聚態理論，一維/二維物理，其中相變領域包括：隨即體系、電子局域化、自旋玻璃態等。在得到諾貝爾獎之前科斯特利茨還得過許多獎項：1981年，英國物理學會授予其麥克斯韋獎，2000年，美國物理學會授予其昂薩格獎。

科普

什麼是拓撲？什麼是相變？

看不懂今年的諾貝爾獎物理學獎？先別急，要想知道什麼是「物質的拓撲相變和拓撲相」，得先知道什麼是拓撲、什麼是相變。

拓撲學是數學的一個分支，它的主要研究內容是幾何形狀在連續形變中所不改變的性質。

在昨天的發布會上，瑞典皇家科學院的專家捧出一袋麵包當教具，他們用沒有洞的肉桂卷、一個洞的麵包圈和兩個洞的鹼水麵包解釋了拓撲是怎麼回事，在拓撲上，這幾種結構是完全不一樣的，因為洞的數量不一樣。

相變就是物質在外界條件連續變化時，從一種「相」突然變成另一種「相」的過程，比如冰融化成水。

日常生活中最常見的「相」是氣態、液態和固態。而在一些極端的條件下，比如極高的溫度或者極低的溫度，會出現很多更為奇異的狀態。

我們所看到的相變，是分子在微觀層面上一起作出改變的結果。比如宏觀上，冰融化成水，再蒸發成水蒸氣的過程中：在微觀上，分子先是像方陣兵一樣十分整齊地排列著，在宏觀上就表現出冰的狀態。當溫度升高，士兵們在附近自由活動，不再整齊地保持隊列，但依然挨在一起，在宏觀上就呈現了水的形態；當溫度再升高，士兵們完全自由運動，就呈現了水蒸氣的狀態。

而戴維·索利斯和邁克爾·科斯特利茨還提出了BKT相變（Berezinskii–Kosterlitz–Thouless transition），它在微觀上是這樣的：一群士兵分別圍繞幾個長官轉圈。為了一直轉下去，有一群順時針的士兵，就要有一群逆時針轉的。一開始，每一個逆時針的長官都和一個順時針的長官配對，每一對順/逆時針的長官所帶領的士兵都只會互相補充給彼此；後來每一對長官都分開了，隨意移動，他們率領的士兵也不再只給彼此，而是送給所有其他人，這樣拓撲結構發生了改變，從而產生了相變。不過，與水不同，BKT相變描述的是二維的物質。

拓撲絕緣體、拓撲超導體和拓撲金屬都是目前的熱門話題。過去十年來，凝聚態物理的最前沿都被這個領域的研究所主導，重要原因是這些拓撲材料對於新一代電子元件和超導體會十分重要，未來還可能導向量子計算機的研究。此刻，研究者依然在探索三位諾獎得主開創的薄層物質「平面國」的奇特屬性。

北京晨報綜合報道

瑞典皇家科學院新聞公報

本年度諾貝爾物理學獎獲得者打開了異物質這扇未知世界的大門，這些物質擁有假想的奇異特性。他們使用先進的數學方法研究了超導體、超流體和薄膜磁性材料等物質的反常階段和狀態。在他們開拓性的研究下，當前對物質的探索進入了一個新的奇異階段。許多人對這些物質未來在材料學和電子學中的應用滿懷信心。

應用物理學中的拓撲概念，對三位獲獎者取得發現成果具有決定性意義。拓撲學是數學的一個分支，它描述的是物質逐步演變的性質。三位獲獎者以拓撲學為工具，這令評委會專家感到震驚。20世紀70年代初期，邁克爾·科斯特利茨和戴維·索利斯推翻了當時關於超導體和超流體無法在薄膜層中實現的理論。他們證明，超導體可以在低溫環境下實現，並解釋了其實現機制，以及使超導體在高溫中消失的相變問題。

20世紀80年代，戴維·索利斯得以用非常薄的導電層解釋之前的一個實驗。在這些導電層中，導電性可以用整數步驟精確測量出來。他證明了這些整數步驟是符合拓撲結構的。幾乎在同一時期，鄧肯·霍爾丹發現了如何用這些拓撲概念理解一些物質中發現的小磁鐵鏈的特性。

我們現在知道很多拓撲概念，不僅在薄導電層和線程中，也在普通的三維物質中。過去的幾十年來，拓撲領域已經促進了凝固態物理學的前沿研究，不僅是因為拓撲材料可以用在新一代的電子工業和超導體中，更可以用在未來的量子計算機中。今年的諾貝爾物理學獎獲得者們發現了一個奇妙世界，目前的研究正在解釋其中的秘密。

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