新華社洛杉磯１０月４日電特稿：“高冷”理論優(yōu)美不凡——美國專家解讀諾貝爾物理學獎
新華社記者郭爽
“正如晶體管發(fā)明（１９５６年諾貝爾物理學獎）促進并帶來了半導(dǎo)體技術(shù)革命，未來有一天，或許我們在經(jīng)歷拓撲技術(shù)革命時，會回首今天，滿心感慨地看待２０１６年諾貝爾物理學獎，”美國科學家戴維·謝對新華社記者說，“基礎(chǔ)科學研究的突破性進展，往往是技術(shù)革命背后的驅(qū)動力?！?/p>
瑞典皇家科學院４日宣布，將今年諾貝爾物理學獎授予三名科學家，以表彰他們在物質(zhì)的拓撲相變和拓撲相方面的理論發(fā)現(xiàn)。
戴維·謝和陳諧是美國加州理工學院兩名研究“拓撲相與相變”理論的科學家。他們４日在接受新華社記者專訪時，就今年受諾貝爾物理學獎青睞的“高冷”理論給出解讀。
數(shù)學，物理學發(fā)展的重要工具
微積分是牛頓力學的基礎(chǔ)，黎曼幾何是廣義相對論的基礎(chǔ)，微分幾何是弦理論的基礎(chǔ)，而量子力學的每次進展也都會有矩陣、群論這樣新的數(shù)學工具“加盟”……可以說，每當有新的數(shù)學工具被引入物理學，都會極大推動物理學的發(fā)展。
這一次也不例外。
“作為一個數(shù)學概念，拓撲有很悠久的歷史，但是用于凝聚態(tài)理論還是最近４０年的事情，”陳諧介紹說。
“數(shù)學是我們描述物理世界的語言，把突破性的數(shù)學工具運用到物理學領(lǐng)域，就像孩子學習了語法和修辭一樣，可以更深入地理解問題，同時更精確地表達自己的意思，”陳諧說。
作為物理學的“語言”，數(shù)學和物理總是親密為伴。戴維·謝告訴新華社記者，“理解一個新的物理學現(xiàn)象，我們有時需要在更廣泛的領(lǐng)域?qū)で蟠鸢?，今年贏得諾貝爾物理學獎的研究，就是典型例子”。
“值得一提的是，數(shù)學和物理的緊密結(jié)合，通常是由新的物理現(xiàn)象所驅(qū)動的?！?/p>
戳個洞，解釋拓撲理論
“拓撲相與相變”絕對屬于讓大多數(shù)人“望而生畏”的深奧理論，不過在科學家眼里，這些理論優(yōu)雅美麗、意義非凡。為解釋這個難懂的理論，陳諧舉了個例子。
想象一下，有一個橡皮泥做的球，把它揉一揉，捏一捏，通過小的形變，就可以把球面變成一個正方體的表面，但是卻不能把它變成一個面包圈的表面。
因為，如果要變成面包圈的表面形狀，就必須要把球面戳一個洞，這也就打破了這個表面的連續(xù)性。而換成“高冷”的專業(yè)詞匯，也就是說，球面和面包圈表面，具有不同的“拓撲性質(zhì)”；而球面和正方體表面，則具有相同的“拓撲性質(zhì)”。
“拓撲相”描述的是一個物質(zhì)的物理性質(zhì)中特別穩(wěn)定的部分，這些性質(zhì)不會隨物體小的連續(xù)形變而改變。例如，有一種物理現(xiàn)象叫“量子霍爾效應(yīng)”，即把一個薄層導(dǎo)體放進兩塊半導(dǎo)體之間，冷卻到極低溫度再加上一個磁場的時候，導(dǎo)體的電導(dǎo)率突然不能像日常一樣連續(xù)改變了，而是一步步按整數(shù)倍改變。本次諾獎獲得者索利斯就意識到，拓撲學可以描述量子霍爾效應(yīng)中的這種不連續(xù)特征。
“高冷”理論有什么用
拓撲理論不僅理論優(yōu)美，而且在實驗實現(xiàn)上有一系列重要的突破。專家指出，這一理論作為一個基本觀念，將持續(xù)深入地影響我們對物質(zhì)和材料的認識。
陳諧認為，一個重要應(yīng)用是量子計算機。她介紹說，現(xiàn)在實現(xiàn)量子計算最大的困難在于量子態(tài)非常脆弱，如果要保證計算穩(wěn)定進行，必須使用特殊手段抵御外界的干擾。但是基于拓撲理論的量子計算機將信息存儲在穩(wěn)定的拓撲態(tài)里，在很大程度上不受外界干擾，因此提供了一個實現(xiàn)量子計算的捷徑。
具有拓撲物性的材料在實現(xiàn)精確標定、低能耗電子器件等方面也具有普通材料不可比擬的優(yōu)勢。此外，戴維·謝認為，這一理論還可應(yīng)用于靈敏度更高的光學傳感器和探測器等的研發(fā)。
“不過，老實講，最激動人心的技術(shù)，可能是那些我們還想象不到的?！?/p>
三位得主實至名歸
奪得諾貝爾物理學獎的戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨三名科學家，在上世紀７０至８０年代進行的一系列研究，最早將拓撲學理論引入凝聚態(tài)物理學的基礎(chǔ)理論。
對三名獲獎?wù)哐芯糠浅Ｊ煜さ拇骶S·謝對記者說，“他們的工作是我眼下研究項目的基礎(chǔ)，獲此殊榮，實至名歸”。
陳諧介紹說，這三名科學家“基于拓撲的概念對凝聚態(tài)做出預(yù)言的時候，這一概念還沒有被廣泛接受，以至于相關(guān)預(yù)言的正確性會受到懷疑。但正是由于他們的遠見以及洞察力，將凝聚態(tài)的研究帶到了一個新的高度”。
麻省理工學院物理系教授文小剛在發(fā)給記者的郵件中回憶說：“霍爾丹是一位非常專注的理論物理學家，經(jīng)常潛心在他的物理世界中。有一次我們在瑞士開會的間隙中，去一個植物園游覽參觀。大家?guī)Я苏障鄼C欣賞各種稀奇植物和風景?；魻柕t帶了一個筆記本，低頭算了一路。他也喜歡非常熱心地給你講他的新理論，一講就可以講兩三個小時，寫滿整個黑板?？梢哉f，他時常顯示出孩子般的天真。”
