戴維·索利斯（1934—2019）

編譯 之涵

發(fā)現(xiàn)物質(zhì)拓?fù)湎嗟睦碚撐锢韺W(xué)家，2016年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

戴維·索利斯

戴維·索利斯（David J.Thouless）是一位理論物理學(xué)家，他最為人所知的成就是對(duì)系統(tǒng)各組成部分重新排列的驅(qū)動(dòng)因素的研究，如晶體中的原子或磁鐵中與電子相關(guān)的自旋。這些“排列現(xiàn)象”是相變（如水變成冰）的基礎(chǔ)。

20世紀(jì)70年代初，索利斯和他的同事邁克爾·科斯特利茨（Michael Kosterlitz）預(yù)測(cè)了一種特殊的排列方式。自那以后，科學(xué)家在超流體、超導(dǎo)體、磁體和其他二維量子系統(tǒng)中都觀(guān)察到了科斯特利茨-索利斯躍遷。這一貢獻(xiàn)使索利斯和科斯特利茨與另一位理論物理學(xué)家鄧肯·霍爾丹（Duncan Haldane）共同分享了2016年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

索利斯是一位見(jiàn)解深刻而獨(dú)到的思想家，在核物質(zhì)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)和凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域都做出了重大貢獻(xiàn)。他的研究主要是拓?fù)鋵W(xué)領(lǐng)域，以及拓?fù)鋵W(xué)如何在系統(tǒng)各組成部分中實(shí)現(xiàn)非凡構(gòu)型。在過(guò)去的十年中，人們認(rèn)識(shí)到許多材料中電子的排列具有某些拓?fù)涮卣鳎缧郎u和紐結(jié)，這引起了人們對(duì)物質(zhì)拓?fù)錉顟B(tài)的興趣。研究人員希望將這些技術(shù)應(yīng)用于電子領(lǐng)域，如用于提高計(jì)算的能源效率。

索利斯1934年出生于英國(guó)，其父母均為學(xué)者：母親教授英國(guó)文學(xué)，父親教授心理學(xué)。索利斯在小時(shí)候便展現(xiàn)出了數(shù)學(xué)天賦，父親培養(yǎng)了他獨(dú)立思考的能力，讓他對(duì)事物充滿(mǎn)好奇心——他的職業(yè)生涯也因此與眾不同。

索利斯曾獲溫徹斯特學(xué)院的獎(jiǎng)學(xué)金，畢業(yè)后進(jìn)入劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)自然科學(xué)。在那里，他認(rèn)識(shí)了未來(lái)的諾貝爾獎(jiǎng)得主漢斯·貝特（Hans Bethe）。貝特邀請(qǐng)他到康奈爾大學(xué)攻讀博士學(xué)位。于是，索利斯在1956年前往美國(guó)，在康奈爾大學(xué)開(kāi)展研究工作，致力于將攝動(dòng)法應(yīng)用于核物質(zhì)理論。

接著，索利斯進(jìn)入加州大學(xué)伯克利分校的勞倫斯輻射實(shí)驗(yàn)室工作。1959年，索利斯回到英國(guó)伯明翰大學(xué)做博士后，研究原子核的集體運(yùn)動(dòng)。他在導(dǎo)師魯?shù)婪颉づ鍫査梗≧udolf Peierls）的指導(dǎo)下工作。得益于自己的開(kāi)放態(tài)度和廣闊人脈，佩爾斯打造了一個(gè)世界一流的數(shù)學(xué)物理系。十年后，索利斯在伯明翰完成了他最著名的工作。

1965年索利斯被伯明翰大學(xué)任命為教授。在此期間，他的研究興趣轉(zhuǎn)向統(tǒng)計(jì)力學(xué)——尤其是相變研究，這一領(lǐng)域當(dāng)時(shí)正在經(jīng)歷一場(chǎng)革命。典型的相變可能涉及磁性材料在某一臨界溫度以上轉(zhuǎn)變?yōu)榉谴判誀顟B(tài)。然而，在一類(lèi)二維系統(tǒng)（或稱(chēng)為連續(xù)自旋系統(tǒng)）中出現(xiàn)了一個(gè)難題。一個(gè)嚴(yán)格縝密的定理排除了有序磁性相在低溫下的穩(wěn)定性，然而，各種理論和實(shí)驗(yàn)研究都表明存在相變。

這種差異如何解決？答案在于旋渦的存在，這是此前在很大程度上被忽視的拓?fù)浼ぐl(fā)?？扑固乩暮退骼拱l(fā)現(xiàn)，在低溫條件下存在一個(gè)拓?fù)溆行虻南?，其中相互作用的“旋渦對(duì)”在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的。在更高的溫度條件下，這些渦旋會(huì)彼此脫離，并最終被系統(tǒng)的無(wú)序狀態(tài)所破壞。其他研究小組能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明這種科斯特利茨-索利斯躍遷。

從1980年起，索利斯任教于華盛頓大學(xué)，直至退休。在另一項(xiàng)深入研究中，索利斯幫助揭示了量子霍爾效應(yīng)的拓?fù)淦鹪?，即低溫下超薄?dǎo)電層中電導(dǎo)會(huì)逐步增加。這項(xiàng)工作建立了概念框架，最終促成拓?fù)浣^緣體的發(fā)現(xiàn)。

事實(shí)上，索利斯1998年出版的《非相對(duì)論物理學(xué)中的拓?fù)淞孔訑?shù)》一書(shū)以其先見(jiàn)之明而聞名，該書(shū)匯集了他在整個(gè)職業(yè)生涯中感興趣的許多課題。該書(shū)出版20多年來(lái)，它比以往任何時(shí)候都更符合我們現(xiàn)代對(duì)物質(zhì)拓?fù)潆A段的理解。

在索利斯看來(lái)，自己性格內(nèi)向，因此更愿意與同事合作而不是領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)團(tuán)隊(duì)。他觀(guān)點(diǎn)鮮明，在辯論中思維跳躍性極大，因此許多人直到幾個(gè)小時(shí)后才恍然大悟。但那些有幸與其一起共事的人，都對(duì)他印象深刻，這不僅是因?yàn)樗哂屑澥匡L(fēng)度，而且還因?yàn)樗诳茖W(xué)問(wèn)題上的獨(dú)到見(jiàn)解。