科普:什麼是拓撲?什麼是相變?
【什麼是拓撲?什麼是相變?】看不懂今年的#諾貝爾獎# 物理學獎?為什麼這些字每個字都知道,合起來就不認識了?先別急,諾獎官方推特做了一個簡單的介紹。
要想知道什麼是「物質的拓撲相變和拓撲相」。你得先知道什麼是拓撲、什麼是相變。
[拓撲]: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。例如,一個有把手的茶壺連續變化成輪胎,而不是一個球。(見圖1)
圖1
[相變]: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。(見圖2)
圖2
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。(見圖3)
圖3
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,分子和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,再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。(見圖2)
圖2
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