2016年諾貝爾物理學(xué)獎揭曉拓?fù)湎嘧儯洪_啟一個未知世界

俞陶然+　彭德倩

2016年諾貝爾物理學(xué)獎授予三位科學(xué)家—戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)拓?fù)湎啵约霸谕負(fù)湎嘧兎矫孀鞒龅睦碚撠暙I(xiàn)。這三名科學(xué)家均在英國出生，目前分別在美國的華盛頓大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、布朗大學(xué)從事研究工作。

瑞典皇家科學(xué)院在新聞公報(bào)中說，今年的獲獎研究成果開啟了一個未知世界的領(lǐng)域。

開創(chuàng)物質(zhì)拓?fù)湎嘌芯?/p>

何為“拓?fù)洹?？斯坦福大學(xué)物理學(xué)教授張首晟介紹，拓?fù)涫且粋€幾何學(xué)概念，描述的是幾何圖案或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的性質(zhì)?！昂芏嗝绹顺渣c(diǎn)心時，右手拿著一只咖啡杯，左手拿著一個面包圈，這兩樣?xùn)|西的形狀看上去完全不一樣，但它們的拓?fù)湫再|(zhì)是一樣的，面包圈可以通過一系列形變，變成咖啡杯?！蔽锢韺W(xué)界公認(rèn)，索利斯、霍爾丹和科斯特利茨在上世紀(jì)70—80年代做的一系列研究，首次將拓?fù)鋵W(xué)原理引入凝聚態(tài)物理學(xué)的基礎(chǔ)理論，具有開創(chuàng)性意義。

所謂“相變”，是物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過程，并伴隨物質(zhì)性質(zhì)的改變。物質(zhì)系統(tǒng)中，物理、化學(xué)性質(zhì)完全相同，與其他部分具有明顯分界面的均勻部分稱為“相”。

復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授陳鋼介紹，上世紀(jì)70年代，索利斯和科斯特利茨合作，在研究二維材料有限溫度下的超流體相變時，發(fā)現(xiàn)了“KT相變”（以兩人姓氏的首字母命名）。上世紀(jì)80年代初，索利斯等人用拓?fù)鋵W(xué)原理描述整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的TKNN不變量。

鄧肯·霍爾丹之所以被授予諾獎，也與“拓?fù)洹庇嘘P(guān)。上世紀(jì)80年代，他系統(tǒng)地研究了一種一維線性材料的“量子自旋鏈”，指出了這種物理現(xiàn)象背后的拓?fù)湓颉?/p>

有望催生量子計(jì)算機(jī)

這些關(guān)于物質(zhì)拓?fù)湎嗟拈_創(chuàng)性研究，給凝聚態(tài)物理學(xué)帶來了深遠(yuǎn)影響，也為一系列“超級材料”的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。上海交通大學(xué)物理與天文系教授王孝群表示，如今物理學(xué)界研究的一大熱點(diǎn)“拓?fù)浣^緣體”，就與三位諾獎得主的貢獻(xiàn)有關(guān)。

據(jù)介紹，拓?fù)浣^緣體的體內(nèi)與普通絕緣體一樣，是不導(dǎo)電的，但是在它的邊界或表面存在導(dǎo)電的邊緣態(tài)。在這類神奇的材料上，不同自旋的導(dǎo)電電子的運(yùn)動方向相反，所以信息的傳遞可以通過電子自旋，而不像傳統(tǒng)材料那樣通過電荷，所以不涉及耗散過程。在這一領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)的張首晟教授以芯片為例，解釋說：“電子在芯片里的運(yùn)動，就像一輛輛跑車在集市里行駛，不斷地碰撞，產(chǎn)生熱量。你們把筆記本電腦放在腿上，時間一長就感覺很燙。正是電子間碰撞產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致摩爾定律將失效?！倍?fù)浣^緣體好似為電子建立了高速公路，讓電子在一條條“單向車道”上運(yùn)行。如果用這類材料制造芯片，計(jì)算機(jī)、手機(jī)等電子設(shè)備的性能有望大幅提升?？萍冀邕€有望利用拓?fù)浣^緣體制造出量子計(jì)算機(jī)。

物理學(xué)家眼中的“漂亮”

“我覺得，這三位‘大牛得諾獎，似乎有些遲了?！睆?fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授孔令欣說。在她看來，理論物理學(xué)界對物質(zhì)的“相”的認(rèn)知，因拓?fù)湎嘧兝碚?，而產(chǎn)生了新的活力，獲得了新的視角。

“盲人摸象”的故事聽到過嗎？理論物理學(xué)界關(guān)于物相的認(rèn)知的傳統(tǒng)方法，在假設(shè)其對稱性支配關(guān)系的前提下，是一種局部的測量，即測量一部分，進(jìn)而以此描述物質(zhì)全部。然而，隨著全新的拓?fù)湎嘧兝碚摰奶岢?，測量的要求向“關(guān)注”整體轉(zhuǎn)化。這種站在新的維度上的測量和定義，已經(jīng)給世界帶來一大批新的物相，而這些基礎(chǔ)理論的新發(fā)現(xiàn)，一部分可能對于量子計(jì)算、量子信息產(chǎn)生極大影響。當(dāng)然，目前其中可能還有相當(dāng)一部分是“無用的”，但過去的經(jīng)驗(yàn)早就告訴我們，當(dāng)下的無用，也代表著無限的未知。

而今，許多物理研究學(xué)者，喜歡用“漂亮”來形容拓?fù)湎嘧兝碚摷捌鋺?yīng)用的一系列拓展研究。這個充滿著艱深術(shù)語和抽象定義的領(lǐng)域，為何是“漂亮”的呢？孔令欣解釋，拓?fù)湎嘧兝碚撎N(yùn)含的拓?fù)鋵W(xué)原理，只考慮物體間位置關(guān)系而不考慮它們的形狀和大小。將深奧的理論與幾何圖形的暢想相聯(lián)系，在她眼中是一種美。更重要的是，拓?fù)湎嘧兝碚撝?，對拓?fù)湎?、拓?fù)鋺B(tài)的描述，只需很少的資訊信息，即可解釋復(fù)雜變換的相變，這種化繁為簡，更是一種大美。