2016年諾貝爾物理學獎揭曉拓撲相變：開啟一個未知世界

俞陶然+　彭德倩

2016年諾貝爾物理學獎授予三位科學家—戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨，以表彰他們發現了物質拓撲相，以及在拓撲相變方面作出的理論貢獻。這三名科學家均在英國出生，目前分別在美國的華盛頓大學、普林斯頓大學、布朗大學從事研究工作。

瑞典皇家科學院在新聞公報中說，今年的獲獎研究成果開啟了一個未知世界的領域。

開創物質拓撲相研究

何為“拓撲”？斯坦福大學物理學教授張首晟介紹，拓撲是一個幾何學概念，描述的是幾何圖案或空間在連續改變形狀后還能保持不變的性質。“很多美國人吃點心時，右手拿著一只咖啡杯，左手拿著一個面包圈，這兩樣東西的形狀看上去完全不一樣，但它們的拓撲性質是一樣的，面包圈可以通過一系列形變，變成咖啡杯。”物理學界公認，索利斯、霍爾丹和科斯特利茨在上世紀70—80年代做的一系列研究，首次將拓撲學原理引入凝聚態物理學的基礎理論，具有開創性意義。

所謂“相變”，是物質從一種相轉變為另一種相的過程，并伴隨物質性質的改變。物質系統中，物理、化學性質完全相同，與其他部分具有明顯分界面的均勻部分稱為“相”。

復旦大學物理學系教授陳鋼介紹，上世紀70年代，索利斯和科斯特利茨合作，在研究二維材料有限溫度下的超流體相變時，發現了“KT相變”（以兩人姓氏的首字母命名）。上世紀80年代初，索利斯等人用拓撲學原理描述整數量子霍爾效應的TKNN不變量。

鄧肯·霍爾丹之所以被授予諾獎，也與“拓撲”有關。上世紀80年代，他系統地研究了一種一維線性材料的“量子自旋鏈”，指出了這種物理現象背后的拓撲原因。

有望催生量子計算機

這些關于物質拓撲相的開創性研究，給凝聚態物理學帶來了深遠影響，也為一系列“超級材料”的研發奠定了基礎。上海交通大學物理與天文系教授王孝群表示，如今物理學界研究的一大熱點“拓撲絕緣體”，就與三位諾獎得主的貢獻有關。

據介紹，拓撲絕緣體的體內與普通絕緣體一樣，是不導電的，但是在它的邊界或表面存在導電的邊緣態。在這類神奇的材料上，不同自旋的導電電子的運動方向相反，所以信息的傳遞可以通過電子自旋，而不像傳統材料那樣通過電荷，所以不涉及耗散過程。在這一領域做出重要貢獻的張首晟教授以芯片為例，解釋說：“電子在芯片里的運動，就像一輛輛跑車在集市里行駛，不斷地碰撞，產生熱量。你們把筆記本電腦放在腿上，時間一長就感覺很燙。正是電子間碰撞產生的熱量，導致摩爾定律將失效。”而拓撲絕緣體好似為電子建立了高速公路，讓電子在一條條“單向車道”上運行。如果用這類材料制造芯片，計算機、手機等電子設備的性能有望大幅提升。科技界還有望利用拓撲絕緣體制造出量子計算機。

物理學家眼中的“漂亮”

“我覺得，這三位‘大牛得諾獎，似乎有些遲了。”復旦大學物理學系教授孔令欣說。在她看來，理論物理學界對物質的“相”的認知，因拓撲相變理論，而產生了新的活力，獲得了新的視角。

“盲人摸象”的故事聽到過嗎？理論物理學界關于物相的認知的傳統方法，在假設其對稱性支配關系的前提下，是一種局部的測量，即測量一部分，進而以此描述物質全部。然而，隨著全新的拓撲相變理論的提出，測量的要求向“關注”整體轉化。這種站在新的維度上的測量和定義，已經給世界帶來一大批新的物相，而這些基礎理論的新發現，一部分可能對于量子計算、量子信息產生極大影響。當然，目前其中可能還有相當一部分是“無用的”，但過去的經驗早就告訴我們，當下的無用，也代表著無限的未知。

而今，許多物理研究學者，喜歡用“漂亮”來形容拓撲相變理論及其應用的一系列拓展研究。這個充滿著艱深術語和抽象定義的領域，為何是“漂亮”的呢？孔令欣解釋，拓撲相變理論蘊含的拓撲學原理，只考慮物體間位置關系而不考慮它們的形狀和大小。將深奧的理論與幾何圖形的暢想相聯系，在她眼中是一種美。更重要的是，拓撲相變理論中，對拓撲相、拓撲態的描述，只需很少的資訊信息，即可解釋復雜變換的相變，這種化繁為簡，更是一種大美。