從2016年諾貝爾物理獎“物質(zhì)拓?fù)湎唷笨次锢韺W(xué)在未知領(lǐng)域探索的影響

鄭佳安

摘要2016年10月4日，3位美國科學(xué)家：戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨，獲得諾貝爾物理學(xué)獎。這3位物理學(xué)家在“物質(zhì)拓?fù)湎唷鳖I(lǐng)域的研究取得重大進(jìn)展。2016諾貝爾物理獎獲獎理由，具體就是指將數(shù)學(xué)理論“拓?fù)鋵W(xué)”運(yùn)用到物理現(xiàn)象“相變”的研究中來。那么什么是“物質(zhì)拓?fù)湎唷蹦兀繌摹拔镔|(zhì)拓?fù)湎唷笨梢钥闯鑫锢韺W(xué)在未知領(lǐng)域的探索有什么影響呢？文章主要對“物質(zhì)拓?fù)湎唷边M(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞物質(zhì)拓?fù)湎?；物理學(xué)；未知領(lǐng)域

近年來，科學(xué)發(fā)展迅速，各個學(xué)科在未知領(lǐng)域都取得了很大的進(jìn)展，物理學(xué)研究同樣是突飛猛進(jìn)。從眾多的進(jìn)展中，我們可以看出，物理學(xué)新興概念的提出，物理學(xué)的測量方法，物理學(xué)理論成果向?qū)嶋H可用技術(shù)的轉(zhuǎn)化，都為其他學(xué)科譬如材料學(xué)、農(nóng)業(yè)學(xué)、信息學(xué)的發(fā)展提供了技術(shù)和理論基礎(chǔ)。大到整個宇宙，小到基本粒子，都屬于物理學(xué)的研究范疇，可以說，物理的發(fā)展奠定了科學(xué)發(fā)展的基石。物質(zhì)拓?fù)湎嗟难芯繌?8世紀(jì)就產(chǎn)生了，到現(xiàn)在已經(jīng)有一個世紀(jì)的時間了，從數(shù)學(xué)概念的提出，到物理思想的運(yùn)用，從集合到幾何再到物理中的拓?fù)湎嗟陌l(fā)生發(fā)展，一直是當(dāng)今世界的熱門研究課題?！拔镔|(zhì)拓?fù)湎唷笔前褦?shù)學(xué)與物理學(xué)結(jié)合的一個新興的研究。我們還只是剛剛進(jìn)入到“物質(zhì)拓?fù)湎唷钡拇箝T，還有很多未知的內(nèi)容等著我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

1“拓?fù)洹焙汀跋唷钡南嚓P(guān)概念

1）“拓?fù)洹奔啊巴負(fù)渥儞Q”?！拔镔|(zhì)拓?fù)湎唷敝屑扔袛?shù)學(xué)的概念，又有物理的概念。“拓?fù)洹币辉~源于數(shù)學(xué)，指的是幾何形狀在連續(xù)形變中所不變的性質(zhì)。拓?fù)渥儞Q是對于任意形狀的閉曲面，變形過程中不使原來的點(diǎn)重合為同一個點(diǎn)，又不產(chǎn)生新的點(diǎn)，前提是不要把曲面破壞，這種變換就是拓?fù)渥儞Q。例如，一個有把手的茶壺經(jīng)過連續(xù)變化可以成為一個輪胎，卻無法成為一個球。平面上的圓和三角形，我們的通常觀念里，這是兩個不同的圖形，但是在拓?fù)鋵W(xué)中，這是兩個等價的圖形。再舉一個例子，用甜甜圈來解釋，無論我們將甜甜圈做成方形還是圓形，對甜甜圈加糖還是加鹽，都不影響其“相”，只有在甜甜圈上再開一個洞，或者一口將甜甜圈咬開減少其孔洞，才影響“相”。拓?fù)涞母拍畋容^抽象，但是帶給了我們一種全新的思維方式，為我們開啟了一扇嶄新的大門。

2）物理中的“相”與“相變”?！跋唷笔且粋€物理的概念，我們把自然界中的物質(zhì)分為3個相，固相、液相、氣相。眾所周知，一般的相變，即固相、液相、氣相三者之間的轉(zhuǎn)換，憑借肉眼是可以辨別的，那么為什么要專門為“拓?fù)湎嘧儭痹谖锢韺W(xué)中設(shè)立一個專門的名詞呢？原來，一般情況下，物質(zhì)都有其特定的相變條件，比如0℃以下是冰，0℃～4℃時是冰水混合物，4℃以上則為水。而當(dāng)物質(zhì)在一些特殊條件下時，靠溫度并不能很好地判斷物質(zhì)所屬的相。比如當(dāng)物體十分薄的時候，相位變化是一種超流體到正常流體的變化，鑒于超薄物體復(fù)雜的相位變化不容易理解，物理學(xué)家便引入了數(shù)學(xué)拓?fù)鋵W(xué)的概念——孔洞數(shù)量。也就是說，我們可以憑借物體內(nèi)部粒子的排列形成的孔洞數(shù)量來判斷物體的相，洞的數(shù)量不同，則不屬于同一相。這樣理解顯然要簡單得多。

2從“物質(zhì)拓?fù)湎唷笨次锢韺W(xué)在未知領(lǐng)域探索的影響

1）“物質(zhì)拓?fù)湎唷钡乃季S方式對未知領(lǐng)域探索方式的影響。從“物質(zhì)拓?fù)湎唷钡难芯恐?，我們學(xué)習(xí)到，發(fā)現(xiàn)并歸納一種材料的物理性質(zhì)時，不僅要從其結(jié)構(gòu)上、分子排列上探索，更要注意其“拓?fù)湫再|(zhì)”。“物質(zhì)拓?fù)湎唷碧峁┑氖且环N全新的思維方式，其從物理數(shù)學(xué)研究發(fā)展而來，認(rèn)為所有不斷變化的過程中又存在著不變的規(guī)律。我們可以把這種思維方式運(yùn)用到其他學(xué)科的研究中。按照以前的探索方式，我們可能只是把得到的變化信息整理分析，得出結(jié)論。引入“物質(zhì)拓?fù)湎唷备拍钜院?，我們不僅要看到變化的信息，而且應(yīng)該聯(lián)想到變化中的不變的規(guī)律。就好像一條打結(jié)的繩子，我們想解開這個結(jié)，卻發(fā)現(xiàn)繩子是首尾相連的，那么去除繩結(jié)唯一的方法就是把繩子割斷，這就是拓?fù)湫再|(zhì)的堅(jiān)固性。這種探索方式對未知領(lǐng)域的探索工作來說是一個挑戰(zhàn)，但是，只要努力就會有意外的發(fā)現(xiàn)。

2）“物質(zhì)拓?fù)湎唷睂ξ粗I(lǐng)域探索方向的影響。根據(jù)“物質(zhì)拓?fù)湎唷崩碚摰奶攸c(diǎn)，其可能會引領(lǐng)對微觀量子的研究，比如在二維維度的層面研究金屬的超導(dǎo)性質(zhì)，對特殊條件下超導(dǎo)材料的研究，對金屬特性的深層剖析，以及在此條件下，創(chuàng)造出具有更加出色的物理性質(zhì)的金屬化合物。其在天體學(xué)研究上可能會提供新的思路和方法，幫助天文學(xué)家探索更遠(yuǎn)、更生動的宇宙世界。又比如量子計(jì)算機(jī)，在拓?fù)涓拍罾?，咖啡杯和面包圈的?xì)致的形狀沒有什么關(guān)系，只跟拓?fù)溆嘘P(guān)系。也就是說，它的形狀到底是有幾個洞，還是像球體一樣沒有洞。我們可以隨便揉捏它，只要不改變洞的數(shù)量，那它就還是同一個物理態(tài)沒有改變。拓?fù)湫蚓哂蟹€(wěn)定的物理性質(zhì)。那么如果我們做一個量子計(jì)算機(jī)的量子態(tài)可以隨意揉捏而不發(fā)生改變，那它就不會受到外界的干擾。所以怎么利用這個很奇特的性質(zhì)來做量子計(jì)算機(jī)，是一個很重要的想法。

3）物理學(xué)對未知領(lǐng)域探索的工具作用。正如數(shù)學(xué)對物理學(xué)來說是一門工具學(xué)科，多年前大家以為解析幾何無用，費(fèi)馬大定理無用，而后發(fā)現(xiàn)居然可以應(yīng)用于物理研究。物理學(xué)是一門研究物質(zhì)最一般運(yùn)動和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科，是自然科學(xué)的帶頭學(xué)科。各個學(xué)科都有物理學(xué)的影子，它的理論進(jìn)展和技術(shù)實(shí)現(xiàn)很大程度上影響著其他學(xué)科對于未知領(lǐng)域探索的進(jìn)度。比如醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，最初對疾病的診斷只能憑外部表現(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)，后來物理傳感器的出現(xiàn)，幫助醫(yī)學(xué)研究者探知人體的未知信息，比如血管造影，四維超聲等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。用物理學(xué)的技術(shù)和方法分析來自天體的電磁輻射，可以得到天體的各種物理參數(shù)，得到很多未知的宇宙信息，推動天體學(xué)的發(fā)展。

4）“物質(zhì)拓?fù)湎唷崩碚摰挠绊憽Ｓ蓪Α拔镔|(zhì)拓?fù)湎唷钡难芯慷a(chǎn)生的一系列的產(chǎn)品拓?fù)浣^緣體、拓?fù)涑瑢?dǎo)體和拓?fù)浣饘俣际墙鼛啄甑臒衢T話題，這些拓?fù)洳牧峡赡軙π乱淮某瑢?dǎo)體和電子元件的發(fā)展方向起主導(dǎo)作用，拓?fù)洳牧线€吸引了科研人員的眼球，引發(fā)了大家對量子計(jì)算機(jī)的研究。同樣的，在光子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)非平凡的拓?fù)鋺B(tài)，將會提高我們對光傳播和光散射的進(jìn)一步認(rèn)識。“物質(zhì)拓?fù)湎唷碧峁┝艘环N物理研究的新思路，從二維的角度對物理性質(zhì)進(jìn)行研究，在不斷變化之中研究不變的性質(zhì)。原來的原子級別的研究只是針對電子的數(shù)量和電子圍繞質(zhì)子的高速轉(zhuǎn)動進(jìn)行的，現(xiàn)在隨著研究材料體積的不斷縮小，只對以上性質(zhì)進(jìn)行研究已經(jīng)不能滿足需要了，于是開始對電子的自旋性進(jìn)行研究。該理論不僅是一個概念上的創(chuàng)新，還引導(dǎo)了人們又一次對未知領(lǐng)域產(chǎn)生無限的遐想和探索，不僅是物理上的創(chuàng)新，還可以滲透到生物分子工程、新材料領(lǐng)域、航空航天等各個方面。

3結(jié)論

2016年的諾貝爾物理學(xué)獎實(shí)至名歸，這3位科學(xué)家對物理新概念的提出與研究，勢必會造成科學(xué)界的又一次革命。繼牛頓的“三大運(yùn)動”定律，量子力學(xué)，“物質(zhì)拓?fù)湎唷崩碚撚忠淮嗡⑿铝巳藗儗τ谖镔|(zhì)的理解?！拔镔|(zhì)拓?fù)湎唷崩碚摰奶岢觯瑫涌烊藗儗茖W(xué)的探索，為人類對未知領(lǐng)域的探索又加了一塊墊腳石。之前一個不那么引人注意的學(xué)科“拓?fù)湎嘧儭爆F(xiàn)在變得如此引人注目，再次讓人們意識到基礎(chǔ)研究的重要性，而不只是著眼于物理學(xué)的實(shí)際運(yùn)用。未知領(lǐng)域還很多，“物質(zhì)拓?fù)湎唷崩碚撘苍S并不能完全滿足我們的研究需要。但是這一理論的產(chǎn)生，以及研究成熟以后，或許會引出其他的新理論的出現(xiàn)?？傊?，“物質(zhì)拓?fù)湎唷崩碚撘呀?jīng)并且將長期保持它對未知領(lǐng)域探索的引導(dǎo)作用。endprint