物理學(xué)諾獎揭曉后拓?fù)湎嘧兓穑洪_啟了一個未知世界
三名科學(xué)家獲殊榮 瑞典皇家科學(xué)院4日宣布，將2016年諾貝爾物理學(xué)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(xué)家，以表彰他們在物質(zhì)的拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎喾矫娴睦碚摪l(fā)現(xiàn)。
這三名科學(xué)家均在英國出生，目前在美國從事研究工作。
瑞典皇家科學(xué)院常任秘書戈蘭漢松當(dāng)?shù)貢r間11時45分（北京時間17時45分）在皇家科學(xué)院會議廳公布了獲獎?wù)呙麊渭爸饕删汀?/p>
拓?fù)鋵W(xué)是數(shù)學(xué)的一個分支，它主要研究的是幾何圖形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的性質(zhì)。據(jù)諾貝爾獎評選委員會介紹，三名獲獎?wù)邔⑼負(fù)涓拍顟?yīng)用于物理研究，這是他們?nèi)〉贸删偷年P(guān)鍵。
上世紀(jì)70年代，索利斯和科斯特利茨用拓?fù)淅碚撏品水?dāng)時超導(dǎo)性和超流體不能在薄層中存在的理論，并證明了超導(dǎo)性可在低溫狀態(tài)存在，解釋了其在溫度升高時消失的機(jī)制與相變。相變指的就是物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過程，而物質(zhì)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)做出解釋，即超薄導(dǎo)電層的導(dǎo)電率可以實(shí)現(xiàn)整數(shù)級精確度量，證明了這些整數(shù)本身的自然屬性都是拓?fù)錉顟B(tài)。幾乎同一時期，霍爾丹發(fā)現(xiàn)可以利用拓?fù)涓拍顏斫忉屢恍┎牧现写嬖诘男〈盆F鏈的特性。
瑞典皇家科學(xué)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(lǐng)域，得益于他們開創(chuàng)性的研究，科學(xué)家們現(xiàn)在可以探索物質(zhì)的新相變，未來有望應(yīng)用于材料科學(xué)和電子學(xué)領(lǐng)域。
“你看我并沒有昏過去”
霍爾丹得知獲獎后非常激動，在現(xiàn)場電話連線中表示，評委會把他們的研究成果總結(jié)得很精辟，這對目前拓?fù)湎囝I(lǐng)域的研究產(chǎn)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(guān)科研工作正在繼續(xù)進(jìn)行中。
霍爾丹在接到獲獎電話時還開玩笑表示：“對于獲獎，我比較英國，或者說有點(diǎn)冷漠吧。所以你看我并沒有昏過去或其他表現(xiàn)。”
今年諾貝爾物理學(xué)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年出生于蘇格蘭，華盛頓大學(xué)教授，理論凝聚態(tài)物理學(xué)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(xué)物理學(xué)教授，理論物理學(xué)家，英國皇家學(xué)會會員，在凝聚態(tài)物理理論作出基礎(chǔ)性貢獻(xiàn)，包括分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。
邁克爾科斯特利茨：布朗大學(xué)物理學(xué)教授，其研究方向主要是凝聚態(tài)理論，一維/二維物理，其中相變領(lǐng)域包括：隨即體系、電子局域化、自旋玻璃態(tài)等。在得到諾貝爾獎之前科斯特利茨還得過許多獎項(xiàng)：1981年，英國物理學(xué)會授予其麥克斯韋獎，2000年，美國物理學(xué)會授予其昂薩格獎。
■科普
什么是拓?fù)洌渴裁词窍嘧儯?/p>
看不懂今年的諾貝爾獎物理學(xué)獎？先別急，要想知道什么是“物質(zhì)的拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎唷保孟戎朗裁词峭負(fù)洹⑹裁词窍嘧儭?/p>
拓?fù)鋵W(xué)是數(shù)學(xué)的一個分支，它的主要研究內(nèi)容是幾何形狀在連續(xù)形變中所不改變的性質(zhì)。
在昨天的發(fā)布會上，瑞典皇家科學(xué)院的專家捧出一袋面包當(dāng)教具，他們用沒有洞的肉桂卷、一個洞的面包圈和兩個洞的堿水面包解釋了拓?fù)涫窃趺椿厥拢谕負(fù)渖希@幾種結(jié)構(gòu)是完全不一樣的，因?yàn)槎吹臄?shù)量不一樣。
相變就是物質(zhì)在外界條件連續(xù)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(tài)、液態(tài)和固態(tài)。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(xiàn)很多更為奇異的狀態(tài)。
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(jié)果。比如宏觀上，冰融化成水，再蒸發(fā)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(xiàn)出冰的狀態(tài)。當(dāng)溫度升高，士兵們在附近自由活動，不再整齊地保持隊(duì)列，但依然挨在一起，在宏觀上就呈現(xiàn)了水的形態(tài)；當(dāng)溫度再升高，士兵們完全自由運(yùn)動，就呈現(xiàn)了水蒸氣的狀態(tài)。
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(zhuǎn)圈。為了一直轉(zhuǎn)下去，有一群順時針的士兵，就要有一群逆時針轉(zhuǎn)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(lǐng)的士兵都只會互相補(bǔ)充給彼此；后來每一對長官都分開了，隨意移動，他們率領(lǐng)的士兵也不再只給彼此，而是送給所有其他人，這樣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，從而產(chǎn)生了相變。不過，與水不同，BKT相變描述的是二維的物質(zhì)。
拓?fù)浣^緣體、拓?fù)涑瑢?dǎo)體和拓?fù)浣饘俣际悄壳暗臒衢T話題。過去十年來，凝聚態(tài)物理的最前沿都被這個領(lǐng)域的研究所主導(dǎo)，重要原因是這些拓?fù)洳牧蠈τ谛乱淮娮釉统瑢?dǎo)體會十分重要，未來還可能導(dǎo)向量子計(jì)算機(jī)的研究。此刻，研究者依然在探索三位諾獎得主開創(chuàng)的薄層物質(zhì)“平面國”的奇特屬性。
北京晨報綜合報道
瑞典皇家科學(xué)院新聞公報
本年度諾貝爾物理學(xué)獎獲得者打開了異物質(zhì)這扇未知世界的大門，這些物質(zhì)擁有假想的奇異特性。他們使用先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法研究了超導(dǎo)體、超流體和薄膜磁性材料等物質(zhì)的反常階段和狀態(tài)。在他們開拓性的研究下，當(dāng)前對物質(zhì)的探索進(jìn)入了一個新的奇異階段。許多人對這些物質(zhì)未來在材料學(xué)和電子學(xué)中的應(yīng)用滿懷信心。
應(yīng)用物理學(xué)中的拓?fù)涓拍睿瑢θ猾@獎?wù)呷〉冒l(fā)現(xiàn)成果具有決定性意義。拓?fù)鋵W(xué)是數(shù)學(xué)的一個分支，它描述的是物質(zhì)逐步演變的性質(zhì)。三位獲獎?wù)咭酝負(fù)鋵W(xué)為工具，這令評委會專家感到震驚。20世紀(jì)70年代初期，邁克爾科斯特利茨和戴維索利斯推翻了當(dāng)時關(guān)于超導(dǎo)體和超流體無法在薄膜層中實(shí)現(xiàn)的理論。他們證明，超導(dǎo)體可以在低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，并解釋了其實(shí)現(xiàn)機(jī)制，以及使超導(dǎo)體在高溫中消失的相變問題。
20世紀(jì)80年代，戴維索利斯得以用非常薄的導(dǎo)電層解釋之前的一個實(shí)驗(yàn)。在這些導(dǎo)電層中，導(dǎo)電性可以用整數(shù)步驟精確測量出來。他證明了這些整數(shù)步驟是符合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的。幾乎在同一時期，鄧肯霍爾丹發(fā)現(xiàn)了如何用這些拓?fù)涓拍罾斫庖恍┪镔|(zhì)中發(fā)現(xiàn)的小磁鐵鏈的特性。
我們現(xiàn)在知道很多拓?fù)涓拍睿粌H在薄導(dǎo)電層和線程中，也在普通的三維物質(zhì)中。過去的幾十年來，拓?fù)漕I(lǐng)域已經(jīng)促進(jìn)了凝固態(tài)物理學(xué)的前沿研究，不僅是因?yàn)橥負(fù)洳牧峡梢杂迷谛乱淮碾娮庸I(yè)和超導(dǎo)體中，更可以用在未來的量子計(jì)算機(jī)中。今年的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者們發(fā)現(xiàn)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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