拓扑相？啥玩意儿？橡皮泥+面包圈就可以解释

北京时间10月4日下午5点45分，2016年诺贝尔物理学奖揭晓。三位科学家戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹、迈克尔·科斯特利茨，因为“理论发现拓扑相变和拓扑相物质”获奖。  

今年诺贝尔物理学奖奖金共800万瑞典克朗（约合93.33万美元），戴维·索利斯独享一半奖金，邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨分享另一半奖金。  

这三名科学家均在英国出生。  

诺贝尔奖评选委员会认为，他们利用高等数学方法研究物质的不寻常阶段或状态，如超导体、超流体或薄磁膜。他们的研究开启了一个未知世界的领域。  

奖项出来以后，大批热情满满想要关注前沿科技的同学们都崩溃了——拓扑相、相变……每个字都认识，连起来完全看不懂。  

昨天，钱报记者请教了获奖者之一——戴维·索利斯教授徒弟的徒弟、北京大学量子材料科学中心教授吴飙，来解读这个奖项。  

吴教授早在美国留学期间，就对索利斯教授的工作非常熟悉。“索利斯教授是一位一丝不苟的科学家，很少趣闻。我听到的唯一趣事还是有关他的严谨和正派。一般教授给学生写推荐信都只写优点不写缺点。但索利斯教授做任何事情都实事求是。给学生写推荐信也一样，不但罗列优点，也会指出学生的缺点。”  

记者采访发现，在吴教授这里，一团橡皮泥，几个面包圈，就可以理解这项看上去非常高大上的诺奖了。  

关键词：拓扑相

拓扑学是数学的一个分支，它主要研究的是几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的性质。据诺贝尔奖评选委员会介绍，三名获奖者将拓扑概念应用于物理研究，这是他们取得成就的关键。  

物理上，我们称固态是一种“相”。  

拿一团橡皮泥来。  

捏一个闭合的圆圈。然后你可以通过扭曲、压缩、旋转等动作，把圈圈变成三角形、四边形……各种形状。从理论上讲，这些千奇百态的形状，都有相同的拓扑性质。  

但是如果你要得到一根线，那么此时它的拓扑相就跟以上各种变身的形状都不一样了，因为你扯断了橡皮泥。  

在昨天诺贝尔组委会宣布三位教授得奖以后，组委会的科学家向公众解释拓扑相，他带上来一堆面包——  

没有洞的肉桂卷、一个洞的面包圈和两个洞的碱水面包。在拓扑学上，这几种面包的结构是完全不一样的：因为洞的数量不同——无论如何你不能通过不剪切、黏贴“橡皮泥”的方法，改变面包的洞洞数量。  

关键词：BKT相变

戴维·索利斯和迈克尔·科斯特利茨提出了BKT相变（Berezinskii–Kosterlitz–Thouless  transition。Berezinskii教授在上世纪80年代去世，没能等到诺奖），这是拓扑相变领域的一个开创性发现。  

人们曾经认为，对于很薄层的物质，分子的随机运动会让它陷入无序之中，所以不会遵循任何规律，或者说，没有任何有序的“相”。那么，自然也就谈不上相变了。  

但是20世纪70年代，戴维·索利斯和迈克尔·科斯特利茨发现并非如此，只要温度足够低，它们也可以是有序的，也有“相”；非但如此，它们的相变还特别奇异，与日常里冰变成水那种相变很不一样。决定这一相变的因素是薄层物质上“旋”；当温度上升的时候，本来成对出现的旋突然都分开了。这样的相变被称为“拓扑相变”——因为它用到了拓扑学来描述。  

物理中有一个概念叫“涡旋”，在二维空间里，它们看上去就是电影《功夫》里那根棒棒糖的图案——旋转的圈圈。  

这些涡旋的旋转方向，有顺时针转的，也有逆时针转的。我们把顺时针转的涡旋看作“男士”，逆时针转的看作“女士”。  

当温度比较高的时候，这些“男男女女”的状态就像吃了摇头丸，会转得非常的兴奋而混乱。  

而当温度降低到一定程度的时候，女士们先生们则会变得非常规律，它们会自动配对“跳舞”，且一定是一对一，一个顺时针配一个逆时针涡旋。  

这就是BKT相变。

关键词：稳定

昨天，霍尔丹得知获奖后非常激动，在现场电话连线中表示，评委会把他们的研究成果总结得很精辟，这对目前拓扑相领域的研究产生了很大影响，也为寻找更多新材料提供了更多可能性，很多相关科研工作正在继续进行中。  

物体的拓扑性质是很稳定的，它在未来的应用中，可以有几个方面的用途——  

最近在这个领域最引人注目的材料叫拓扑绝缘体。这些材料的边缘态是一种自旋流，如果能将这种自旋流利用起来做信息处理，可以大幅度降低能耗。  

量子计算需要非常稳定的量子比特和量子门操作。由于拓扑态的稳定性，拓扑量子计算具有重大的发展前景。  

昨天，浙江工业大学维尔切克量子物理中心的熊宏伟教授说，三位教授都不属于明星科学家，没有多大的团队，不到处讲演。“但是三位科学家一直都是凝聚态理论界的大师级人物，就算不获诺奖，他们早已确立大师地位。他们获奖的更大意义在于，整个物理界集中在他们的开拓工作中来一次热烈的回顾和集体疯狂。”  

但是更幸运的是索利斯教授还是等到了诺奖。老先生是三位获奖者中年龄最大的，已经82岁，做这项研究工作的时候是上世纪70年代末，当时先生还只有40多岁。  

这种级别的老爷爷，世界上还有不少。他们和索利斯爷爷一样，平常都在使劲锻炼身体的哦。  

比如，此前有科学家预测今年诺奖可能会颁给类星体的发现。这是上世纪60年代射电天文的四大重要发现之一，其他三个发现都已经得奖了。大家一直认为类星体的成果也应该得奖。  

这个成果发现人已经去世了，但是提出类星体模型的科学家还在世，年龄已经非常大了。  

据说，老先生一直保持着非常规律的锻炼，而且每年诺奖季都会好紧张。这些强大的科学老爷爷们真牛。  

名片

戴维·索利斯：1934年出生于英国贝尔斯登，1958年从美国康奈尔大学获得博士学位。目前为美国华盛顿大学荣誉退休教授。  

邓肯·霍尔丹：1951年出生于英国伦敦，1978年从英国剑桥大学获得博士学位。目前为美国普林斯顿大学物理学教授。  

迈克尔·科斯特利茨：1942年出生于英国阿伯丁，1969年从英国牛津大学获得博士学位。目前为美国布朗大学物理学教授。