椒盐饼干、贝果面包和诺贝尔物理学奖 达沃斯博客

世界经济论坛2018-08-11 11:39:48
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比如卫生纸卷和甜甜圈,他们的拓扑学结构是一样的。
Image:路透社/TT News Agency/Anders Wiklund/

对于我们中没有受过中学教育的人来说,物理学是奇妙莫测的,但无可争议的是,能够阐释我们身边世界的科学是十分迷人的。本周,2016年的诺贝尔物理学奖颁给了三位英国科学家,他们是来自华盛顿大学的戴维·索利斯教授、普林斯顿大学的邓肯·霍尔丹教授和布朗大学的迈克尔·科斯特利茨教授。这辆“三驾马车”通过高等数学方法来研究物质的不寻常阶段或状态。

科学家们发现当物质在极端温度下时可变成如超导体、超流体或薄磁膜等的“异常状态”,并且这样的物质可在很多领域得到应用。例如超导体材料可以用于制造超级快速的电路,超流体可以在光谱学(研究光如何分解成各种颜色的成分的学科)中应用,而薄磁膜可以提高计算机数据存储容量。

这些成果可以归入一个叫做“拓扑学”的领域

拓扑学是数学的一个分支,它研究物体只随空间位置改变而不随形状和大小改变的性质。比如说卫生纸卷和甜甜圈,尽管它们形状大小不一,但在拓扑学中它们是一样的结构(两者都有一个孔洞)。拓扑学也研究持续的改变,如物体可反复发生的弯折或拉伸。如果你手中有一个圆环状的面团,你可以通过拉伸它的边缘把它变成正方形或者三角形,这并不会改变面团的拓扑学状态。但如果你将这个面团拧成一个数字“8”就不同了,因为你解开这个“8”的时候会破坏中间的连接处。

Image:Johan Jarnestad/ 瑞典皇家科学院

许多“不寻常”的材料可在拓扑学中进行解释,而现在更多新奇的材料得到拓展

人们早已在简单的拓扑学概念中对”不寻常”材料的固相、气相和液相进行阐释。而科学家团队发现在低温下,物质的“不寻常”或者“异常”状态也可以通过同样的方式进行观察和描述。在低温下,物质产生了预料之外的变化。人们可以观察到量子效应,比如超流体现象,即液体在接近绝对零度时无阻力地流动,以及超导体现象,即电子流可以在导电金属内无阻力地流动。换句话说,当温度足够低时,所有对运动微粒的阻力都会突然消失。

而相变无处不在,比如水冻结成冰或蒸发为汽。但拓扑相变有所不同,这种发生在超流体中的相变可以通过一对涡流来解释,即在薄的超流体层上两个成对的孔洞,在每个涡流中都可以有活跃的粒子、空气,或者是真空状态。

当温度升高时,这些成对的涡流会突然分离,这时便可以准确地找到拓扑相变。在低温下,这些涡流在相变温度下会形成涡流对之后突然分离。


Image:Johan Jarnestad /瑞典皇家科学院

该团队知名的成果:

在20世纪70年代,戴维·索利斯和迈克尔·科斯特利茨推翻了超导体和超流体不可能在薄膜中出现并且在较高温度下会消失的理论。在拓扑学概念中这就好比是把椒盐饼干变成了贝果面包(把圆形变成8字形)。


在20世纪80年代,索利斯用非常薄的导电层完成了此前的一个实验,其中步骤的不同之处本质便是拓扑学。大约在那时霍尔丹发现拓扑学可用于解释一些材料中小磁铁链的性质。


为什么它如此重要?

这个理论在物理的很多领域如原子物理、统计力学中都是很有价值,过去几十年的研究表明,科学家们有可能会发现新的物态。拓扑学在十年间的进展揭示了物质运动越来越多的奥秘,并且对材料科学、电子学和量子计算的研究也有所贡献。

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作者:Lindsay Dodgson 是记者、商界人士

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翻译:达沃斯博客翻译小组 徐嘉莹

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