瑞典皇家科学院向三位科学家授予了2016年诺贝尔物理学奖,以表彰他们在拓扑相变领域的研究成果,其中一半授予给戴维·索利斯(David J. Thouless),另一半授予给邓肯·霍尔丹( F. Duncan M. Haldane )和米歇尔·科斯特里兹(J.MichaelKosterlitz),他们仨人的研究成果用大白话说就是摸透了物质的不同形态间到底咋转换的。——路透社
对,就是下面这三枚!他们仨说来也巧,都在英国出生,现在也都在美国大学里做自己的研究。
气态、液态和固态的东西在我们日常生活中随处可见,大部分物质也都以这三态的样子存在,但在极端低温或高温的环境下,物质的形态也就会变得超出你我想象了。
这三个人呢,就用先进的数学模型证明了一些物质在特殊环境下能变得有点不正常。低温时,原子会就变得非常扁平,扁平到就像是二维的样子了,这种时候我们就能看到超导体——电流也就可以不受物质微粒的阻力在超导体中流动,还有超流体——一丁点摩擦力都没有的漩涡也就可以不停地转下去,真的是不停哦。
就像吃了炫迈,根本停不下来!
《卫报》上说:“在拓扑的世界里,一般的导体转变为超导体可能就像百吉饼变成面包一样。”当然事实上,用面包这种比喻并不会让人更容易明白拓扑是啥,但从本质上来看这就是一样的,因为都是一种相变化的过程,只是比液体简单迅速地凝固成固体更复杂,当然也更有意思。组委会用没有洞的肉桂卷(cinnamon bun)、一个洞的面包圈(bagel)和两个洞的碱水面包(pretzel)解释起了拓扑是什么回事,在拓扑上,这几种结构是完全不一样的:洞的数量不同。
拓扑学是一个数学分支,它研究的是那些“不连续”的特征。假设我有一个长方形,它可以变大一点点,变小一点点,粗一点点,细一点点,这样的变化是连续的;拓扑学对此不关心。但如果我在长方形里挖了洞,那么它要么没有洞,要么有1个、2个、3个??,不能有1.5个或者3.14个。拓扑学关心的就是类似于这个洞的特征。用数学的方法解释清这种相变化背后的原理,这三个人可真的不简单,因为他们让这种变化变得不再让人摸不着头脑,而是可以预测甚至能去研究更深的东西了。
今年这三位诺贝尔物理奖得主的研究发现也会影响接下来的电子学。这不,科学家们就受这些研究发现所赐,马上就开始对拓扑绝缘体表现出兴趣了。拓扑绝缘体意味着仅允许电子在其表面活动,同时电子也到不了它里面去。然而在一般情况下,物质不是绝缘体——电子想通过也通不过,就是导体——电子想不过去也得过去。现在有一种材料同时具有这两种性质,这一下子就颠覆了我们平常知道的物理学常识。一些人们还想这种材料来研发量子计算机,不用想也知道会比我们现在用的计算机强大不知多少倍啦。
“当今时代的先进技术,就拿计算机来说,都建立在我们对材料特性的认识和应用上。”诺贝尔委员会代理主席尼尔斯·马滕森在周二时说道,“今年的诺贝尔物理奖得主们在理论研究上揭示了物质特性中很多意料不到的现象,而且能用已经存在的数学概念——其实就是拓扑,来描述清楚。“
马滕森说:“这项研究为其他创新特性材料的设计奠定了道路,而且也有很大希望能影响许多未来的科技。”
早在20世纪70年代初,科斯特里兹和索利斯就对薄层中的超导体和超流体进行了建模,推翻了之前此类物质结构不可能存在的理论。他们还证明了物质在低温环境下也能具有超导特性,并解释了这背后的原理,即“相变”原理,同时也解释了高温环境下超导特性消失的现象。
在20世纪80年代,邓肯·霍尔丹发现拓扑概念可以解释一些在某些材料中观察到的小磁体链接起来的现象。
霍尔丹在美东时间凌晨约4:30时接到的获奖通知电话,然后在斯德哥尔摩周二的宣布会上,他对媒体说了一些感想。
“我和所有人一样都非常惊讶,当然也非常高兴哈哈!”Haldane说。
当谈到自己的研究时,他表示:“这项研究其实是很久之前的事了,但直到最近,很多大发现都以这个为基础才得以实现,所以在很多方面也延伸了这项研究的意义。”
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去年的诺贝尔物理学奖被授予给了东京大学的梶田隆章和加拿大女王大学的阿瑟·麦克唐纳(Arthur B. McDonald),以表彰他们对组成宇宙的亚原子——中微子的研究。此前人们一直认为中微子没有质量,而这两人的研究则证明了中微子实际上是有质量的。
我们都知道诺贝尔奖是由瑞典发明家阿尔弗雷德·诺贝尔于1895年创立的,1901年首次颁奖。今年的奖金高达八百万瑞典克朗,相当于93.7万美元。根据瑞典皇家学会的规定,奖金将会平分两次——索利斯将会获得八百万克朗的一半,即46.4万美元,因为他在各方面都做出了“决定性的贡献”,霍尔丹和科斯特里兹会平分剩下的46.4万美元。