鈦媒體注：10月4日，2016年度諾貝爾物理學(xué)獎揭曉，諾貝爾獎金分別授予美國華盛頓大學(xué)大衛(wèi)·蘇奧雷斯，美國普林斯頓大學(xué)的鄧肯·霍爾丹以及布朗大學(xué)的邁克爾·科斯特利茲，以獎勵他們“在拓?fù)湎嘧円约巴負(fù)洳牧戏矫娴睦碚摪l(fā)現(xiàn)”。
復(fù)旦大學(xué)物理系教授、博士生導(dǎo)師施郁在解讀諾貝爾物理獎時認(rèn)為，這一研究成果對于材料學(xué)、信息科學(xué)技術(shù)研究乃至拓?fù)淞孔佑嬎憔哂袆潟r代的意義。那么“拓?fù)湎嘧儭钡降资鞘裁?？如何而來，是種什么樣的狀態(tài)？對物理一竅不通的你聽著這些概念或許都有些迷糊了。
本文精選自果殼網(wǎng)，深入淺出地闡述了“拓?fù)湎嘧儭钡脑砗脱芯繗v程，為你提供假期談資。
2016年諾貝爾物理學(xué)獎，授予戴維·索利斯，與鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨，以表彰他們在理論上發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎唷?/p>
拓?fù)鋵W(xué)是三位得獎?wù)吣茏龀鲞@一成就的關(guān)鍵，它解釋了為什么薄層物質(zhì)的的電導(dǎo)率會以整數(shù)倍發(fā)生變化。
?如果上面這段話給你一種“每個字都認(rèn)識但合起來不像中文”的感覺，別怕。果殼給你一個說人話的版本，解釋一下他們仨都做了什么——
一
一般的物質(zhì)是按照一定規(guī)律排列的，比如冰是水分子按照網(wǎng)格排列起來形成的固態(tài)物。
物理上，我們說固態(tài)是一種“相”。
如果給冰加熱，它會變成液態(tài)水，也就是另一種“相”。里面的水分子依然有規(guī)律，但就變成另一種規(guī)律了。
這樣的變化被稱為“相變”。
固體液體氣體之間的相變我們見多了，但是在低溫和高溫狀態(tài)下，物質(zhì)呈現(xiàn)出了我們從未見過的“相”……
當(dāng)物質(zhì)變得很薄的時候，它們的特征會發(fā)生有趣的改變。人們曾經(jīng)認(rèn)為，對于很薄層的物質(zhì)，分子的隨機運動會讓它陷入無序之中，所以不會遵循任何規(guī)律，或者說，沒有任何有序的“相”。那么，自然也就談不上相變了。
但是20世紀(jì)70年代，戴維·索利斯和邁克爾·科斯特利茨發(fā)現(xiàn)并非如此，只要溫度足夠低，它們也可以是有序的，也有“相”；非但如此，它們的相變還特別奇異，與日常里冰變成水那種相變很不一樣。
決定這一相變的因素是薄層物質(zhì)上“旋”；當(dāng)溫度上升的時候，本來成對出現(xiàn)的旋突然都分開了。這樣的相變被稱為“拓?fù)湎嘧儭薄驗樗玫搅送負(fù)鋵W(xué)來描述。
二
拓?fù)鋵W(xué)是一個數(shù)學(xué)分支，它研究的是那些“不連續(xù)”的特征。假設(shè)我有一個長方形，它可以變大一點點，變小一點點，粗一點點，細(xì)一點點，這樣的變化是連續(xù)的；拓?fù)鋵W(xué)對此不關(guān)心。但如果我在長方形里挖了洞，那么它要么沒有洞，要么有1個、2個、3個??，不能有1.5個或者3.14個。拓?fù)鋵W(xué)關(guān)心的就是類似于這個洞的特征。
萬萬沒想到，諾貝爾頒獎典禮上會出現(xiàn)一袋子面包——組委會用沒有洞的肉桂卷（cinnamon bun）、一個洞的面包圈（bagel）和兩個洞的堿水面包（pretzel）解釋起了拓?fù)涫鞘裁椿厥?，在拓?fù)渖?，這幾種結(jié)構(gòu)是完全不一樣的：洞的數(shù)量不同。
（拓?fù)鋵W(xué)還有一個特點是，看局部不管用。一個長方形有幾個洞，完全無法依靠看它的局部來判斷，必須看整體。）
在索利斯和科斯特利茨研究的物質(zhì)里，發(fā)生的就是這樣的場景。薄層的物質(zhì)上有很多“旋”，低溫的時候是兩個兩個成對出現(xiàn)，溫度一升高，一下子全都分開成一個個的了。這個過程就需要用拓?fù)涞牟贿B續(xù)特征來描述。
左邊是一對一對的“旋”，在高溫狀態(tài)下，變成了單渦旋。這個過程就是拓?fù)湎嘧儭?/p>
但拓?fù)鋵W(xué)在物理學(xué)中的作用還不止于此。
三
物理世界有一種神秘的現(xiàn)象叫做“量子霍爾效應(yīng)”：當(dāng)把一個薄層導(dǎo)體放進(jìn)兩塊半導(dǎo)體之間，冷卻到極低溫度，再加上一個磁場的時候，它的電導(dǎo)率突然不能連續(xù)改變了，只能一步步地改變，先是變成兩倍，然后三倍、四倍、五倍這樣下去。——這很不合常理，因為日常物質(zhì)的變化都是連續(xù)的。
在日常生活中，物質(zhì)的變化曲線應(yīng)該是連續(xù)的，像滑梯一樣。但某些狀態(tài)下，電導(dǎo)率的變化卻成了臺階，只能一步一級的往上邁了。為什么呢？
1983年，索利斯意識到，這個現(xiàn)象也需要用拓?fù)鋵W(xué)解釋。
量子霍爾效應(yīng)里，相對自由運動的電子會形成一種被稱為“拓?fù)淞孔恿黧w”的東西；它表現(xiàn)出來的特征，就能夠被拓?fù)鋵W(xué)所描述。電導(dǎo)率需要用到所有這些電子的整體性質(zhì)，這正是拓?fù)鋵W(xué)的領(lǐng)域；而就像一個長方形里的洞只能是整數(shù)個，它的電導(dǎo)率也只能以整數(shù)倍變化。
1988年，另一位研究者鄧肯·霍爾丹的理論計算表明，“拓?fù)淞孔恿黧w”不光在量子霍爾效應(yīng)里存在，其他條件下也能，比如沒有磁場時的薄層超導(dǎo)體。這個計算結(jié)果在2014年得到了驗證。
霍爾丹還在1982年做出了一個令人吃驚的預(yù)測。量子物理中有兩種原子磁鐵，一奇一偶?；魻柕び嬎愠觯绻淮即盆F排成排，得到的原子串具有拓?fù)湫裕坏娲盆F就沒有。和拓?fù)淞孔恿黧w一樣，它也需要看整體才能知道，也是只在物體的邊緣才表現(xiàn)出來，也具有很多奇特的屬性。如今，量子霍爾流體和磁原子鏈都已被歸于一大群全新的拓?fù)錉顟B(tài)之中。
四
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)向量子計算機的研究。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。
讓我們再讀一遍獲獎?wù)叩拿?，記住這三位開創(chuàng)領(lǐng)域的先驅(qū)——
戴維·索利斯，1934年生于英國貝爾斯丹。1958年獲美國紐約州伊薩卡的康奈爾大學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)為美國西雅圖的華盛頓大學(xué)名譽教授。
鄧肯·霍爾丹，1956年生于英國倫敦，1978年獲英國劍橋大學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)為美國新澤西普林斯頓大學(xué)的尤金希金斯物理學(xué)教授。
邁克爾·科斯特利茲，1942年生于英國阿伯丁。1969年獲英國牛津大學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)就職于美國羅德島州普羅維登斯的布朗大學(xué)，任哈里森·方斯沃斯物理學(xué)教授。
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說實話，我還是沒太懂
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科普了。
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