物理学诺奖揭晓“拓扑相变”走红 有意思

导读：瑞典皇家科学院4日宣布，将2016年诺贝尔物理学奖授予戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨这三名科学家，以表彰他们在物质的拓扑相变和拓扑相方面的理论发现。瑞典皇家科学院4日...

导读：瑞典皇家科学院4日宣布，将2016年诺贝尔物理学奖授予戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨这三名科学家，以表彰他们在物质的拓扑相变和拓扑相方面的理论发现。

瑞典皇家科学院4日宣布，将2016年诺贝尔物理学奖授予戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨这三名科学家，以表彰他们在物质的拓扑相变和拓扑相方面的理论发现。

这三名科学家均在英国出生，目前在美国从事研究工作。

瑞典皇家科学院常任秘书戈兰·汉松当地时间11时45分（北京时间17时45分）在皇家科学院会议厅公布了获奖者名单及主要成就。

拓扑学是数学的一个分支，它主要研究的是几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的*质。据诺贝尔奖评选委员会介绍，三名获奖者将拓扑概念应用于物理研究，这是他们取得成就的关键。

上世纪70年代，索利斯和科斯特利茨用拓扑理论推翻了当时超导*和超流体不能在薄层中存在的理论，并证明了超导*可在低温状态存在，解释了其在温度升高时消失的机制与相变。相变指的就是物质从一种相转变为另一种相的过程，而物质分固相、液相、气相这三种。

到了80年代，索利斯又对之前的一项实验做出解释，即超薄导电层的导电率可以实现整数级精确度量，证明了这些整数本身的自然属*都是拓扑状态。几乎同一时期，霍尔丹发现可以利用拓扑概念来解释一些材料中存在的小磁铁链的特*。

瑞典皇家科学院在新闻公报中说，今年的获奖研究成果开启了一个未知世界的领域，得益于他们开创*的研究，科学家们现在可以探索物质的新相变，未来有望应用于材料科学和电子学领域。

霍尔丹得知获奖后非常激动，在现场电话连线中表示，评委会把他们的研究成果总结得很精辟，这对目前拓扑相领域的研究产生了很大影响，也为寻找更多新材料提供了更多可能*，很多相关科研工作正在继续进行中。

霍尔丹在接到获奖电话时还开玩笑表示：对于获奖，我比较英国，或者说有点冷漠吧。所以你看我并没有昏过去或其他表现。

今年诺贝尔物理学奖奖金共800万瑞典克朗（约合93.33万美元），索利斯将获得其中一半，霍尔丹与科斯特利茨将共享另一半。

戴维·索利斯：1934年出生于苏格兰，华盛顿大学教授，理论凝聚态物理学家，因KT相变而著称，在获得诺奖之前还获得了1990年的沃尔夫奖、1993年的保罗·狄拉克奖等。

邓肯·霍尔丹：普林斯顿大学物理学教授，理论物理学家，英国皇家学会会员，在凝聚态物理理论作出基础*贡献，包括分数量子霍尔效应。

迈克尔·科斯特利茨：布朗大学物理学教授，其研究方向主要是凝聚态理论，一维/二维物理，其中相变领域包括：随即体系、电子局域化、自旋玻璃态等。在得到诺贝尔奖之前科斯特利茨还得过许多奖项：1981年，英国物理学会授予其麦克斯韦奖，2000年，美国物理学会授予其昂萨格奖。

看不懂今年的诺贝尔奖物理学奖？先别急，要想知道什么是物质的拓扑相变和拓扑相，得先知道什么是拓扑、什么是相变。

拓扑学是数学的一个分支，它的主要研究内容是几何形状在连续形变中所不改变的*质。

在昨天的发布会上，瑞典皇家科学院的专家捧出一袋面包当教具，他们用没有洞的肉桂卷、一个洞的面包圈和两个洞的碱水面包解释了拓扑是怎么回事，在拓扑上，这几种结构是完全不一样的，因为洞的数量不一样。

相变就是物质在外界条件连续变化时，从一种相突然变成另一种相的过程，比如冰融化成水。

日常生活中最常见的相是气态、液态和固态。而在一些极端的条件下，比如极高的温度或者极低的温度，会出现很多更为奇异的状态。

我们所看到的相变，是分子在微观层面上一起作出改变的结果。比如宏观上，冰融化成水，再蒸发成水蒸气的过程中：在微观上，分子先是像方阵兵一样十分整齐地排列着，在宏观上就表现出冰的状态。当温度升高，士兵们在附近自由活动，不再整齐地保持队列，但依然挨在一起，在宏观上就呈现了水的形态；当温度再升高，士兵们完全自由运动，就呈现了水蒸气的状态。

而戴维·索利斯和迈克尔·科斯特利茨还提出了BKT相变（Berezinskii–Kosterlitz–Thouless△transition），它在微观上是这样的：一群士兵分别围绕几个长官转圈。为了一直转下去，有一群顺时针出租车兵，就要有一群逆时针转的。一开始，每一个逆时针的长官都和一个顺时针的长官配对，每一对顺/逆时针的长官所带领出租车兵都只会互相补充给彼此；后来每一对长官都分开了，随意移动，他们率领出租车兵也不再只给彼此，而是送给所有其他人，这样拓扑结构发生了改变，从而产生了相变。不过，与水不同，BKT相变描述的是二维的物质。

拓扑绝缘体、拓扑超导体和拓扑金属都是目前的热门话题。过去十年来，凝聚态物理的最前沿都被这个领域的研究所主导，重要原因是这些拓扑材料对于新一代电子元件和超导体会十分重要，未来还可能导向量子计算机的研究。此刻，研究者依然在探索三位诺奖得主开创的薄层物质平面国的奇特属*。