今年物理學諾獎得主到底研究的是啥？據說和手機也有關係

知識 10-05

本文來源：光明日報、科學網

2016年諾貝爾物理學獎由3位科學家獲得，他們分別是：大衛·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨，獲獎原因是他們在物質的拓撲相變和拓撲相方面的發現。拓撲相變到底什麼意思？很多人可能一頭霧水。其實，這方面的研究和我們的日常生活密切相關。快來漲漲姿勢

獲獎理由：將數學概念應用於物理研究

拓撲學是數學的一個分支。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。

今年物理學諾獎得主到底研究的是啥？據說和手機也有關係

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（topology）是研究幾何圖形或空間在連續改變形狀後還能有一些性質保持不變的學科，它只考慮物體間的位置關係而不考慮它們的形狀和大小。

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。

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資料圖/視覺中國

拓撲學：以「洞」為單位來區分

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拓撲遊戲/視覺中國

如果還不太明白，舉個例子來說，一個甜甜圈等於一個有手柄的茶杯，一個橙子等於一個長方體，這些看似完全錯誤的「等式」在拓撲學家眼裡卻是「正確」的。在拓撲學家眼中，物體的幾何性質不僅可用尋常的「形狀」或是「大小」來區分，也可用「洞」的數量來衡量，這就是物體的拓撲性質。

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莫比烏斯環

即，甜甜圈和有手柄的茶杯雖外形不同，但共同點是都有「一個洞」，而橙子和長方體都「沒有洞」，因此，這兩種原本風馬牛不相及的物體，在拓撲學的概念里都是同一類。

通俗來講，假如有三個麵包，分別為一個洞都沒有的肉桂麵包，有一個洞的甜甜圈和含有兩個洞的鹼水麵包，雖然在尋常的概念里都屬於麵包，但在拓撲學的定義里，這三個麵包完全屬於三類，毫無關聯。

相變方面，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。

說白了，拓撲相變的研究對於製造出非常薄的材料以及超導物質很有幫助，物質所呈現的形態也比我們通常認為的固態、液態和氣態更豐富。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。

「拓撲相變」與生活有何關聯？

手機充電或可不發熱

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具體到與我們日常生活的關係，這項研究最大的「受益者」，估計是長時間抱著手機不放的「低頭族」。未來，你的手機可能不再發燙。拓撲絕緣體材料是一種邊界上導電、體內是絕緣體的新型量子材料。導電的邊界由於獨特的物理特性，在導電過程中不會發熱。如果能夠將拓撲絕緣體材料製成手機晶元，那麼就有希望解決手機在長時間充電，或是連續使用時間過長後變得發燙的問題。

有望大幅降低電耗

另外，每個家庭里使用的電力，最開始從發電廠輸出時其實電壓遠不止220伏特，發電廠發出的其實是高壓電。但較大一部分電流在通過電線輸送到千家萬戶的過程中，都會產生損耗。如果能夠將電線「改造升級」，使用超導材料或是拓撲絕緣體材料，那麼便有希望大幅度降低電流「在路上」的損耗。

今年物理學諾獎得主到底研究的是啥？據說和手機也有關係