“高冷”理论优美不凡——美国专家解读诺贝尔物理学奖

　　新华社洛杉矶10月4日电特稿：“高冷”理论优美不凡——美国专家解读诺贝尔物理学奖

　　新华社记者郭爽

　　“正如晶体管发明(1956年诺贝尔物理学奖)促进并带来了半导体技术革命，未来有一天，或许我们在经历拓扑技术革命时，会回首今天，满心感慨地看待2016年诺贝尔物理学奖，”美国科学家戴维·谢对新华社记者说，“基础科学研究的突破性进展，往往是技术革命背后的驱动力。”

　　瑞典皇家科学院4日宣布，将今年诺贝尔物理学奖授予三名科学家，以表彰他们在物质的拓扑相变和拓扑相方面的理论发现。

　　戴维·谢和陈谐是美国加州理工学院两名研究“拓扑相与相变”理论的科学家。他们4日在接受新华社记者专访时，就今年受诺贝尔物理学奖青睐的“高冷”理论给出解读。

　　数学，物理学发展的重要工具

　　微积分是牛顿力学的基础，黎曼几何是广义相对论的基础，微分几何是弦理论的基础，而量子力学的每次进展也都会有矩阵、群论这样新的数学工具“加盟”……可以说，每当有新的数学工具被引入物理学，都会极大推动物理学的发展。

　　这一次也不例外。

　　“作为一个数学概念，拓扑有很悠久的历史，但是用于凝聚态理论还是最近40年的事情，”陈谐介绍说。

　　“数学是我们描述物理世界的语言，把突破性的数学工具运用到物理学领域，就像孩子学习了语法和修辞一样，可以更深入地理解问题，同时更精确地表达自己的意思，”陈谐说。

　　作为物理学的“语言”，数学和物理总是亲密为伴。戴维·谢告诉新华社记者，“理解一个新的物理学现象，我们有时需要在更广泛的领域寻求答案，今年赢得诺贝尔物理学奖的研究，就是典型例子”。

　　“值得一提的是，数学和物理的紧密结合，通常是由新的物理现象所驱动的。”

　　戳个洞，解释拓扑理论

　　“拓扑相与相变”绝对属于让大多数人“望而生畏”的深奥理论，不过在科学家眼里，这些理论优雅美丽、意义非凡。为解释这个难懂的理论，陈谐举了个例子。

　　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。

　　“高冷”理论有什么用

　　拓扑理论不仅理论优美，而且在实验实现上有一系列重要的突破。专家指出，这一理论作为一个基本观念，将持续深入地影响我们对物质和材料的认识。

　　陈谐认为，一个重要应用是量子计算机。她介绍说，现在实现量子计算最大的困难在于量子态非常脆弱，如果要保证计算稳定进行，必须使用特殊手段抵御外界的干扰。但是基于拓扑理论的量子计算机将信息存储在稳定的拓扑态里，在很大程度上不受外界干扰，因此提供了一个实现量子计算的捷径。

　　具有拓扑物性的材料在实现精确标定、低能耗电子器件等方面也具有普通材料不可比拟的优势。此外，戴维·谢认为，这一理论还可应用于灵敏度更高的光学传感器和探测器等的研发。

　　“不过，老实讲，最激动人心的技术，可能是那些我们还想象不到的。”

　　三位得主实至名归

　　夺得诺贝尔物理学奖的戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨三名科学家，在上世纪70至80年代进行的一系列研究，最早将拓扑学理论引入凝聚态物理学的基础理论。

　　对三名获奖者研究非常熟悉的戴维·谢对记者说，“他们的工作是我眼下研究项目的基础，获此殊荣，实至名归”。

　　陈谐介绍说，这三名科学家“基于拓扑的概念对凝聚态做出预言的时候，这一概念还没有被广泛接受，以至于相关预言的正确性会受到怀疑。但正是由于他们的远见以及洞察力，将凝聚态的研究带到了一个新的高度”。

　　麻省理工学院物理系教授文小刚在发给记者的邮件中回忆说：“霍尔丹是一位非常专注的理论物理学家，经常潜心在他的物理世界中。有一次我们在瑞士开会的间隙中，去一个植物园游览参观。大家带了照相机欣赏各种稀奇植物和风景。霍尔丹则带了一个笔记本，低头算了一路。他也喜欢非常热心地给你讲他的新理论，一讲就可以讲两三个小时，写满整个黑板。可以说，他时常显示出孩子般的天真。”