以數學之眼看物理 拓撲理論研究為何獲諾獎青睞？

【亞太日報訊】（記者付一鳴 和苗）什么成就，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，正是看似冷門卻並不寂寞的拓撲相變領域的研究。

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，以表彰他們在物質的拓撲相變和拓撲相方面的理論發現。

拓撲學本身是數學的一個分支，主要研究的是幾何圖形或空間在連續改變形狀後還能保持不變的性質。諾貝爾獎評選委員會表示，這三名獲獎者將拓撲概念應用於物理研究，這是他們取得成就的關鍵。

一般來說，物質分固相、液相、氣相，相變指的就是物質從一種相轉變為另一種相的過程，比如固體的冰融化成水，液態的水受熱後變成水蒸氣。但是，如果物質變得極薄的時候，物質的相還存在嗎？

評選委員會介紹說，平面中的物理現象和我們認知的周圍世界是截然不同的，甚至分佈非常稀疏的物質中也包含了數百萬個原子，每個原子的行為都可以用量子物理學來解釋，而很多原子結合的時候卻顯示完全不同的屬性。三位獲獎者的研究成果正是揭示了拓撲性質在量子物態和量子相變中的決定性影響。

科斯特利茨和索利斯的研究集中在一個平面世界中的“怪現象”，相比於通常描述的三維世界，他們發現極薄層的表面或內部可以被認為是二維的，那裏一種被稱為“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。

霍爾丹發現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。他發現，原子磁性的不同使這些鏈條呈現出完全不同的屬性。霍爾丹還在量子霍爾效應方面做了許多開創性工作。

正如瑞典皇家科學院所說，今年的獲獎研究成果開啟了一個未知世界的領域。得益於這三位獲獎者開創性的研究，科學家們現在可以繼續探索物質的新相變。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中得到應用。