(CNN)Three British physicists working at US universities have won the Nobel Prize in Physics for revealing the secrets of exotic matter.The 8 million Swedish Krona prize (more than US $931,000) was divided between the three laureates according to their contributions -- one half awarded to David Thouless of the University of Washington, and the other half jointly to Duncan Haldane of Princeton University and Michael Kosterlitz of Brown University.专业版的拓扑理论拓扑学是数学的一个分支，它的主要研究内容是几何形状在连续形变中所不改变的性质。在昨天的发布会上，瑞典皇家科学院的专家捧出一袋面包当教具，他们用没有洞的肉桂卷、一个洞的面包圈和两个洞的碱水面包解释了拓扑是怎么回事，在拓扑上，这几种结构是完全不一样的，因为洞的数量不一样。相变就是物质在外界条件连续变化时，从一种“相”突然变成另一种“相”的过程，比如冰融化成水。日常生活中最常见的“相”是气态、液态和固态。而在一些极端的条件下，比如极高的温度或者极低的温度，会出现很多更为奇异的状态。我们所看到的相变，是分子在微观层面上一起作出改变的结果。比如宏观上，冰融化成水，再蒸发成水蒸气的过程中：在微观上，分子先是像方阵兵一样十分整齐地排列着，在宏观上就表现出冰的状态。当温度升高，士兵们在附近自由活动，不再整齐地保持队列，但依然挨在一起，在宏观上就呈现了水的形态；当温度再升高，士兵们完全自由运动，就呈现了水蒸气的状态。大白话版的拓扑理论想象一下，有一个橡皮泥做的球，把它揉一揉，捏一捏，通过小的形变，就可以把球面变成一个正方体的表面，但是却不能把它变成一个面包圈的表面。 因为，如果要变成面包圈的表面形状，就必须要把球面戳一个洞，这也就打破了这个表面的连续性。而换成“高冷”的专业词汇，也就是说，球面和面包圈表面，具有不同的“拓扑性质”；而球面和正方体表面，则具有相同的“拓扑性质”。“拓扑相”描述的是一个物质的物理性质中特别稳定的部分，这些性质不会随物体小的连续形变而改变。例如，有一种物理现象叫“量子霍尔效应”，即把一个薄层导体放进两块半导体之间，冷却到极低温度再加上一个磁场的时候，导体的电导率突然不能像日常一样连续改变了，而是一步步按整数倍改变。本次诺奖获得者索利斯就意识到，拓扑学可以描述量子霍尔效应中的这种不连续特征。听听大师的解说：三位科学家因拓扑学研究分享今年诺贝尔物理学奖（同传视频）意义何在？开创物质拓扑相研究何为“拓扑”？斯坦福大学物理学教授张首晟介绍，拓扑是一个几何学概念，描述的是几何图案或空间在连续改变形状后还能保持不变的性质。“很多美国人吃点心时，右手拿着一只咖啡杯，左手拿着一个面包圈，这两样东西的形状看上去完全不一样，但它们的拓扑性质是一样的，面包圈可以通过一系列形变，变成咖啡杯。”物理学界公认，索利斯、霍尔丹和科斯特利茨在上世纪70—80年代做的一系列研究，首次将拓扑学原理引入凝聚态物理学的基础理论，具有开创性意义。所谓“相变”，是物质从一种相转变为另一种相的过程，并伴随物质性质的改变。物质系统中，物理、化学性质完全相同，与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为“相”。复旦大学物理学系教授陈钢介绍，上世纪70年代，索利斯和科斯特利茨合作，在研究二维材料有限温度下的超流体相变时，发现了“KT相变”（以两人姓氏的首字母命名）。上世纪80年代初，索利斯等人用拓扑学原理描述整数量子霍尔效应的TKNN不变量。霍尔丹之所以被授予诺奖，也与“拓扑”有关。上世纪80年代，他系统地研究了一种一维线性材料的“量子自旋链”，指出了这种物理现象背后的拓扑原因。有望催生量子计算机这些关于物质拓扑相的开创性研究，给凝聚态物理学带来了深远影响，也为一系列“超级材料”的研发奠定了基础。上海交通大学物理与天文系教授王孝群表示，如今物理学界研究的一大热点“拓扑绝缘体”，就与三位诺奖得主的贡献有关。据介绍，拓扑绝缘体的体内与普通绝缘体一样，是不导电的，但是在它的边界或表面存在导电的边缘态。在这类神奇的材料上，不同自旋的导电电子的运动方向相反，所以信息的传递可以通过电子自旋，而不像传统材料那样通过电荷，所以不涉及耗散过程。在这一领域做出重要贡献的张首晟以芯片为例，解释说：“电子在芯片里的运动，就像一辆辆跑车在集市里行驶，不断地碰撞，产生热量。你们把笔记本电脑放在腿上，时间一长就感觉很烫。正是电子间碰撞产生的热量，导致摩尔定律将失效。”而拓扑绝缘体好似为电子建立了高速公路，让电子在一条条“单向车道”上运行。如果用这类材料制造芯片，计算机、手机等电子设备的性能有望大幅提升。科技界还有望利用拓扑绝缘体制造出量子计算机。物理学家眼中的“漂亮”“我觉得，这三位‘大牛’得诺奖，似乎有些迟了，”复旦大学物理学系教授孔令欣说。在她看来，理论物理学界对物质的“相”的认知，因拓扑相变理论，而产生了新的活力，获得了新的视角。“盲人摸象”的故事听到过吗？理论物理学界关于物相的认知的传统方法，在假设其对称性支配关系的前提下，是一种局部的测量，即测量一部分，进而以此描述物质全部。然而，随着全新的拓扑相变理论的提出，测量的要求向“关注”整体转化。这种站在新的维度上的测量和定义，已经给世界带来一大批新的物相，而这些基础理论的新发现，一部分可能对于量子计算、量子信息产生极大影响。当然，目前其中可能还有相当大一部分是“无用的”，但过去的经验早就告诉我们，当下的无用，也代表着无限的未知。而今，许多物理研究学者，喜欢用“漂亮”来形容拓扑相变理论及其应用的一系列拓展研究。这个充满着艰深术语和抽象定义的领域，为何是“漂亮”的呢？孔令欣解释，拓扑相变理论蕴含的拓扑学原理，只考虑物体间位置关系而不考虑它们的形状和大小。将深奥的理论与几何图形的畅想相联系，在她眼中是一种美。更重要的是，拓扑相变理论中，对拓扑相、拓扑态的描述，只需很少的资讯信息，即可解释复杂变换的相变，这种化繁为简，更是一种大美。END期待有相关知识的小伙伴在评论区给大家科普一下哟~
