瑞典皇家科學院4日將2016年諾貝爾物理學獎授予戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨這三名科學家，以表彰他們在物質(zhì)的拓撲相變和拓撲相方面的理論發(fā)現(xiàn)。今年諾貝爾物理學獎獎金共800萬瑞典克朗(約合93.33萬美元)，索利斯將獲得其中一半，霍爾丹與科斯特利茨將共享另一半。
花絮
拓撲是什么？
請看面包圈
在諾貝爾物理學獎發(fā)布儀式上，評獎委員會成員突然鄭重地捧出一袋子面包，他用沒有洞的肉桂面包、一個洞的面包圈和兩個洞的堿水面包解釋起了拓撲是怎么回事——在拓撲上，這幾種結(jié)構(gòu)是完全不一樣的，因為洞的數(shù)量不一樣。
獲獎理由
以“數(shù)學之眼”看物理
開啟“未知世界的領域”
什么成就，竟然蓋過了今年風頭正旺的國際物理界大頭條——引力波探測，一舉拿下今年諾貝爾物理學獎？沒錯，正是看似冷門卻并不寂寞的拓撲相變領域的研究。
拓撲學是數(shù)學的一個分支。據(jù)諾貝爾獎評選委員會介紹，三名獲獎者將拓撲概念應用于物理研究，這是他們?nèi)〉贸删偷年P鍵。
科斯特利茨和索利斯的研究集中在一個平面世界中的“怪現(xiàn)象”，相比于通常描述的三維世界，他們發(fā)現(xiàn)極薄層的表面或內(nèi)部可以被認為是二維的，那里一種被稱為“超流體到正常流體的相變”，主要決定因素與人們以往的認識完全不同?；魻柕t發(fā)現(xiàn)可以利用拓撲概念來解釋一些材料中存在的小磁鐵鏈的特性。
瑞典皇家科學院在公報中說，今年的獲獎研究成果開啟了一個未知世界的領域，獲獎者利用高等數(shù)學方法研究物質(zhì)的不尋常階段或狀態(tài)，如超導體、超流體和薄磁膜。得益于他們開創(chuàng)性的研究，科學家們現(xiàn)在可以探索物質(zhì)的新相變。研究人員認為，拓撲材料將在未來的電子和超導體以及量子計算機研發(fā)中得到應用。
具體成就
●上世紀70年代，索利斯和科斯特利茨用拓撲理論推翻了當時超導性和超流體不能在薄層中存在的理論，并證明了超導性可在低溫狀態(tài)存在，解釋了其在溫度升高時消失的機制與相變。
●到了上世紀80年代，索利斯又對之前的一項實驗做出解釋，即超薄導電層的導電率可以實現(xiàn)整數(shù)級精確度量，證明了這些整數(shù)本身的自然屬性都是拓撲狀態(tài)。
●霍爾丹發(fā)現(xiàn)，原子磁性的不同使小磁鐵鏈條呈現(xiàn)出完全不同的屬性。霍爾丹還在量子霍爾效應方面做了許多開創(chuàng)性工作。
人物背景
3人均為英國背景美國任職
這三名科學家均在英國出生，目前分別在美國的大學從事研究工作。戴維·索利斯，1934年生于英國，供職于美國華盛頓大學。鄧肯·霍爾丹，1951年生于英國，供職于美國普林斯頓大學。邁克爾·科斯特利茨，1942年生于英國，供職于美國布朗大學。
記者連線
“拓撲相變”其實沒那么“不接地氣”
用上了拓撲絕緣材料， 未來你的手機可能不再發(fā)燙
昨天下午，諾貝爾物理學獎一經(jīng)頒出，不少圍觀網(wǎng)友立刻陷入“懵圈”狀態(tài)：“拓撲相變”和“拓撲相”到底是怎么一回事？這么高冷的理論研究，和我們的生活有聯(lián)系嗎？揚子晚報記者邀請到了中組部第十一批千人計劃“青年項目”入選者，南京大學物理學院博士生導師張海軍教授進行了科普解讀。 揚子晚報記者 楊甜子
概念A
拓撲：從茶杯到輪胎
拓撲學主要研究的是幾何圖形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的性質(zhì)。例如，一個有把手的茶杯連續(xù)變化成輪胎，而不是一個球。
超薄層材料導電性呈整數(shù)式階躍的特征，可以用材料的拓撲性質(zhì)來解釋。
拓撲學的概念很特別：
它以“洞”為單位來區(qū)分
一個甜甜圈等于一個有手柄的茶杯，一個橙子等于一個長方體，這些看似完全錯誤的“等式”在拓撲學家眼里卻是“正確”的。張海軍教授告訴記者，在拓撲學家眼中，物體的幾何性質(zhì)不僅可用尋常的“形狀”或是“大小”來區(qū)分，也可用“洞”的數(shù)量來衡量，這就是物體的拓撲性質(zhì)。甜甜圈和有手柄的茶杯雖外形不同，但共同點是都有“一個洞”，而橙子和長方體都“沒有洞”，因此，這兩種原本風馬牛不相及的物體，在拓撲學的概念里都是同一類。
興許是知道“拓撲”的概念過于深奧，在昨天下午的諾獎頒獎典禮上，科學家們也破例在頒獎現(xiàn)場拿出了三個不同的面包，做了實物演示。一個洞都沒有的肉桂面包，有一個洞的甜甜圈和含有兩個洞的堿水面包雖然在尋常的概念里都屬于面包，但在拓撲學的定義里，這三個面包完全屬于三類，“毫無關系”。
和我們的生活最接近的拓撲學結(jié)構(gòu)，恐怕要算“莫比烏斯環(huán)”。將一個紙條扭轉(zhuǎn)180°后，兩頭再粘起來做成的紙帶圈，紙帶便立刻擁有了魔術(shù)般的性質(zhì)，只剩下了一個“表面”和一個邊界。如果從中間剪開一個莫比烏斯環(huán)，你不會得到兩個窄的紙帶，而是會形成一個把紙帶的頭扭轉(zhuǎn)了兩次后再粘在一起的環(huán)。這就是拓撲學結(jié)構(gòu)在生活中最常見的“存在”。
概念 B
相變：滑梯還是臺階
相變是指，物質(zhì)在外界條件連續(xù)變化時，從一種“相”突然變成另一種“相”的過程，比如冰融化成水。日常生活中最常見的“相”是氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。在一些極端的條件下，如極高溫度或極低溫度，會出現(xiàn)很多更為奇異的狀態(tài)。在日常生活中，物質(zhì)的變化曲線應該是連續(xù)的，像滑梯一樣。但某些狀態(tài)下，電導率的變化卻類似于“臺階”。
“拓撲相變”和生活有何聯(lián)系
相關應用可大幅降低電耗
張海軍教授告訴記者，拓撲絕緣體、拓撲超導體和拓撲半金屬如今已成熱議話題。過去十年中，這些技術(shù)一直處于凝聚態(tài)物理研究的前沿。未來，拓撲絕緣體材料有望改變我們的生活。
這項研究最大的“受益者”，估計是長時間抱著手機不放的“低頭族”。未來，你的手機可能不再發(fā)燙。拓撲絕緣體材料是一種邊界上導電，體內(nèi)絕緣體的新型量子材料。導電的邊界態(tài)由于獨特的物理特性，在導電過程中不會發(fā)熱。張海軍教授表示，如果能夠?qū)⑼負浣^緣體材料制成手機芯片，那么就有希望解決手機在長時間充電，或是連續(xù)使用時間過長后變得發(fā)燙的問題。
家用電力也和拓撲材料息息相關。張海軍教授舉例，每個家庭里使用的電力，最開始從發(fā)電廠輸出時其實電壓遠不止220伏特，發(fā)電廠發(fā)出的其實是高壓電。但較大一部分電流在通過電線輸送到千家萬戶的過程中，都會產(chǎn)生損耗。如果能夠?qū)㈦娋€“改造升級”，使用超導材料或是拓撲絕緣體材料，那么便有希望大幅度降低電流“在路上”的損耗。
記者了解到，在過去十多年中，科研工作者在拓撲材料研究領域取得了豐碩的成績。譬如，2013年清華大學薛其坤院士的研究團隊已經(jīng)成功實現(xiàn)了量子反?；魻栃?，為相關的具體應用和推廣敲開了大門。人們對拓撲物質(zhì)態(tài)的研究充滿憧憬，希望拓撲材料在不遠的將來被應用于新一代電子器件或未來的量子計算機中。