從2016年諾貝爾物理獎“物質拓撲相”看物理學在未知領域探索的影響

鄭佳安

摘要2016年10月4日，3位美國科學家：戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨，獲得諾貝爾物理學獎。這3位物理學家在“物質拓撲相”領域的研究取得重大進展。2016諾貝爾物理獎獲獎理由，具體就是指將數學理論“拓撲學”運用到物理現象“相變”的研究中來。那么什么是“物質拓撲相”呢？從“物質拓撲相”可以看出物理學在未知領域的探索有什么影響呢？文章主要對“物質拓撲相”進行分析。

關鍵詞物質拓撲相；物理學；未知領域

近年來，科學發展迅速，各個學科在未知領域都取得了很大的進展，物理學研究同樣是突飛猛進。從眾多的進展中，我們可以看出，物理學新興概念的提出，物理學的測量方法，物理學理論成果向實際可用技術的轉化，都為其他學科譬如材料學、農業學、信息學的發展提供了技術和理論基礎。大到整個宇宙，小到基本粒子，都屬于物理學的研究范疇，可以說，物理的發展奠定了科學發展的基石。物質拓撲相的研究從18世紀就產生了，到現在已經有一個世紀的時間了，從數學概念的提出，到物理思想的運用，從集合到幾何再到物理中的拓撲相的發生發展，一直是當今世界的熱門研究課題。“物質拓撲相”是把數學與物理學結合的一個新興的研究。我們還只是剛剛進入到“物質拓撲相”的大門，還有很多未知的內容等著我們去探索。

1“拓撲”和“相”的相關概念

1）“拓撲”及“拓撲變換”。“物質拓撲相”中既有數學的概念，又有物理的概念。“拓撲”一詞源于數學，指的是幾何形狀在連續形變中所不變的性質。拓撲變換是對于任意形狀的閉曲面，變形過程中不使原來的點重合為同一個點，又不產生新的點，前提是不要把曲面破壞，這種變換就是拓撲變換。例如，一個有把手的茶壺經過連續變化可以成為一個輪胎，卻無法成為一個球。平面上的圓和三角形，我們的通常觀念里，這是兩個不同的圖形，但是在拓撲學中，這是兩個等價的圖形。再舉一個例子，用甜甜圈來解釋，無論我們將甜甜圈做成方形還是圓形，對甜甜圈加糖還是加鹽，都不影響其“相”，只有在甜甜圈上再開一個洞，或者一口將甜甜圈咬開減少其孔洞，才影響“相”。拓撲的概念比較抽象，但是帶給了我們一種全新的思維方式，為我們開啟了一扇嶄新的大門。

2）物理中的“相”與“相變”。“相”是一個物理的概念，我們把自然界中的物質分為3個相，固相、液相、氣相。眾所周知，一般的相變，即固相、液相、氣相三者之間的轉換，憑借肉眼是可以辨別的，那么為什么要專門為“拓撲相變”在物理學中設立一個專門的名詞呢？原來，一般情況下，物質都有其特定的相變條件，比如0℃以下是冰，0℃～4℃時是冰水混合物，4℃以上則為水。而當物質在一些特殊條件下時，靠溫度并不能很好地判斷物質所屬的相。比如當物體十分薄的時候，相位變化是一種超流體到正常流體的變化，鑒于超薄物體復雜的相位變化不容易理解，物理學家便引入了數學拓撲學的概念——孔洞數量。也就是說，我們可以憑借物體內部粒子的排列形成的孔洞數量來判斷物體的相，洞的數量不同，則不屬于同一相。這樣理解顯然要簡單得多。

2從“物質拓撲相”看物理學在未知領域探索的影響

1）“物質拓撲相”的思維方式對未知領域探索方式的影響。從“物質拓撲相”的研究中，我們學習到，發現并歸納一種材料的物理性質時，不僅要從其結構上、分子排列上探索，更要注意其“拓撲性質”。“物質拓撲相”提供的是一種全新的思維方式，其從物理數學研究發展而來，認為所有不斷變化的過程中又存在著不變的規律。我們可以把這種思維方式運用到其他學科的研究中。按照以前的探索方式，我們可能只是把得到的變化信息整理分析，得出結論。引入“物質拓撲相”概念以后，我們不僅要看到變化的信息，而且應該聯想到變化中的不變的規律。就好像一條打結的繩子，我們想解開這個結，卻發現繩子是首尾相連的，那么去除繩結唯一的方法就是把繩子割斷，這就是拓撲性質的堅固性。這種探索方式對未知領域的探索工作來說是一個挑戰，但是，只要努力就會有意外的發現。

2）“物質拓撲相”對未知領域探索方向的影響。根據“物質拓撲相”理論的特點，其可能會引領對微觀量子的研究，比如在二維維度的層面研究金屬的超導性質，對特殊條件下超導材料的研究，對金屬特性的深層剖析，以及在此條件下，創造出具有更加出色的物理性質的金屬化合物。其在天體學研究上可能會提供新的思路和方法，幫助天文學家探索更遠、更生動的宇宙世界。又比如量子計算機，在拓撲概念里，咖啡杯和面包圈的細致的形狀沒有什么關系，只跟拓撲有關系。也就是說，它的形狀到底是有幾個洞，還是像球體一樣沒有洞。我們可以隨便揉捏它，只要不改變洞的數量，那它就還是同一個物理態沒有改變。拓撲序具有穩定的物理性質。那么如果我們做一個量子計算機的量子態可以隨意揉捏而不發生改變，那它就不會受到外界的干擾。所以怎么利用這個很奇特的性質來做量子計算機，是一個很重要的想法。

3）物理學對未知領域探索的工具作用。正如數學對物理學來說是一門工具學科，多年前大家以為解析幾何無用，費馬大定理無用，而后發現居然可以應用于物理研究。物理學是一門研究物質最一般運動和物質基本結構的學科，是自然科學的帶頭學科。各個學科都有物理學的影子，它的理論進展和技術實現很大程度上影響著其他學科對于未知領域探索的進度。比如醫學領域，最初對疾病的診斷只能憑外部表現和經驗，后來物理傳感器的出現，幫助醫學研究者探知人體的未知信息，比如血管造影，四維超聲等技術的實現。用物理學的技術和方法分析來自天體的電磁輻射，可以得到天體的各種物理參數，得到很多未知的宇宙信息，推動天體學的發展。

4）“物質拓撲相”理論的影響。由對“物質拓撲相”的研究而產生的一系列的產品拓撲絕緣體、拓撲超導體和拓撲金屬都是近幾年的熱門話題，這些拓撲材料可能會對新一代的超導體和電子元件的發展方向起主導作用，拓撲材料還吸引了科研人員的眼球，引發了大家對量子計算機的研究。同樣的，在光子系統中實現非平凡的拓撲態，將會提高我們對光傳播和光散射的進一步認識。“物質拓撲相”提供了一種物理研究的新思路，從二維的角度對物理性質進行研究，在不斷變化之中研究不變的性質。原來的原子級別的研究只是針對電子的數量和電子圍繞質子的高速轉動進行的，現在隨著研究材料體積的不斷縮小，只對以上性質進行研究已經不能滿足需要了，于是開始對電子的自旋性進行研究。該理論不僅是一個概念上的創新，還引導了人們又一次對未知領域產生無限的遐想和探索，不僅是物理上的創新，還可以滲透到生物分子工程、新材料領域、航空航天等各個方面。

3結論

2016年的諾貝爾物理學獎實至名歸，這3位科學家對物理新概念的提出與研究，勢必會造成科學界的又一次革命。繼牛頓的“三大運動”定律，量子力學，“物質拓撲相”理論又一次刷新了人們對于物質的理解。“物質拓撲相”理論的提出，會加快人們對科學的探索，為人類對未知領域的探索又加了一塊墊腳石。之前一個不那么引人注意的學科“拓撲相變”現在變得如此引人注目，再次讓人們意識到基礎研究的重要性，而不只是著眼于物理學的實際運用。未知領域還很多，“物質拓撲相”理論也許并不能完全滿足我們的研究需要。但是這一理論的產生，以及研究成熟以后，或許會引出其他的新理論的出現。總之，“物質拓撲相”理論已經并且將長期保持它對未知領域探索的引導作用。endprint