三位美国拓扑相变研究者获2016年诺贝尔物理学奖

秦雪/编译

三位美国拓扑相变研究者获2016年诺贝尔物理学奖

秦雪/编译

迈克尔·科斯特利茨、戴维·索利斯和邓肯·霍尔丹

瑞典皇家科学院于10月4日宣布授予三位美国科学家2016年诺贝尔物理学奖，以表彰他们在拓扑学领域做出的贡献，拓扑学是描述增量导致特性变化的一个数学分支。这三位科学家都出生于英国，如今分别在美国华盛顿大学、普林斯顿大学和布朗大学从事研究工作，他们是戴维·索利斯（David J.Thouless）、邓肯·霍尔丹（F.Duncan M. Haldane）和迈克尔·科斯特利茨（J.Michael Kosterlitz）。

被授予诺贝尔物理学奖的这三位物理学家研究的是物质在极端状态下的一些奇异特性，包括超导体、超流体和磁性薄膜。

华盛顿大学的戴维·索利斯获本届诺贝尔奖奖金800万瑞典克朗（约合93万美元）的一半，普林斯顿大学的邓肯·霍尔丹和布朗大学的迈克尔·科斯特利茨共享另一半奖金。

瑞典皇家科学院称，这三位科学家依靠先进的数学模型研究发现了“拓扑相变和物质拓扑相理论”。他们的研究将主要应用于电子技术、材料科学和计算机科学。芝加哥大学的物理学家迈克尔·特纳（Michael S.Turner）在一封电子邮件中称，他们的研究是“对物理学应用实践和基本理论产生长期影响的一个真正转折点”。

成就介绍

获得今年诺贝尔物理学奖的这三位物理学家一直在努力探索和破解物质在超冷和超薄状态下，如何克服原子在常态下随机碰撞的特性而产生奇异量子效应的秘密。在超导体中，所有的电阻都会消失，就是其中的一个例子。

20世纪70年代，索利斯博士和科斯特利茨博士在英国伯明翰大学一起进行合作研究，探索在什么情况或条件下，二维薄膜会产生物质相变，即从某个奇异的物相，如超导体，转变为另一种奇异物相的。

他们成功的关键在于对拓扑学理论的研究和突破，拓扑学是研究物体基本形态的一个数学分支。在斯德哥尔摩举行的诺贝尔奖新闻发布会上，诺贝尔物理学奖评选委员会的一位成员托尔斯·汉森（Thors Hans Hansson）手拿一个肉桂面包、一个百吉饼和一个脆饼，来解释说明什么是拓扑学。

他说，对于拓扑学家来说，它们之间唯一的区别是这几种面食中孔洞的数量，而不是普通人所关注的一些特征，如它们是咸味的还是甜味的。拓扑学家会注意到，这些孔洞都没有半个的，孔的数量皆呈整数级阶梯式变化。

由控制原子行为奇特规则所决定的超薄超小物质的奇特物态变化的宏观特性，同样亦呈现阶梯式的“量子跃迁”模式。

一个例子是量子霍尔效应，在这种效应中，薄膜的电阻变化也是呈阶梯式的。1983年，索利斯博士成功地以数学方法将这种变化与“陈数”之间建立起联系，“陈数”是以数学家陈省身的名字命名的描述拓扑形状的一种数学理论。

霍尔丹博士以类似的方法来分析超薄物质原子链的特性，超薄物质薄到极致之时可被视为一维线程，例如根据量子引力理论，时空结构就是由一维量子线编织而成的。霍尔丹认为，未来有一天，这种特性有可能成为新一代计算机的基础。

过去十年里，这一研究成果已被用来开发了一种被称为拓扑绝缘体的新材料，这种材料的导电性能存在于它的表面而不是其内部。

“他们的成果引发了这一领域内的研究风暴，尽管具体应用还有待开发，但我相信这只是时间问题，他们的研究成果将带来的未来科技的进步是我们今天所难以想象的，就像很多年前开始的激光和计算机芯片研究对于如今科技发展的深远意义一样。”美国物理学会会长劳拉·格林（Laura H.Greene）说道。

获奖物理学家

索利斯博士，现年82岁，出生于苏格兰贝尔斯登，剑桥大学本科毕业，1958年在康奈尔大学获博士学位。1965年至1978年在英国伯明翰大学教授数理物理学，在那里与科斯特利兹进行合作研究。1980年加入华盛顿大学西雅图分校，如今为该校名誉教授。

霍尔丹博士，现年65岁，出生于英国伦敦。从剑桥大学本科毕业，并于1978年在剑桥大学获博士学位。曾先后在法国一家研究所、美国南加州大学、贝尔实验室和加州大学圣地亚哥分校工作，1990年加入普林斯顿大学任教。

科斯特利茨博士，现年73岁，出生于英格兰亚伯丁郡，1969年在牛津大学获高能物理博士学位。曾先后在伯明翰大学、意大利都灵理论物理研究所、康奈尔大学、普林斯顿大学、贝尔实验室和哈佛大学工作。

[资料来源：New York Times][责任编辑：彦隐]