端聞

諾貝爾物理學獎揭曉:三名科學家因拓撲相變理論獲獎


諾貝爾物理學獎結果公佈,得主為David Thouless、Duncan Haldane、Michael Kosterlitz。
諾貝爾物理學獎結果公布,得主為分別為美國華盛頓大學物理學家索利斯(David Thouless)、普林斯頓大學物理學家霍爾丹(Duncan Haldane)和布朗大學物理學家科斯特利茲(Michael Kosterlitz) 攝:Anders Wiklund/TT via AP

瑞典斯德哥爾摩時間10月4日上午11時45分(香港時間17時45分),2016年度諾貝爾物理學獎被授予美國華盛頓大學物理學家索利斯(David Thouless)、普林斯頓大學物理學家霍爾丹(Duncan Haldane)和布朗大學物理學家科斯特利茲(Michael Kosterlitz),以表彰他們在物質的拓撲相變(topological phase transitions)和拓撲相(topological phases)領域的重要理論發現。總獎金為800萬瑞典克朗(約合93萬美元),其中一半被授予索利斯,霍爾丹和科斯特利茨則分享另外一半。

本年度的獲獎者開啟了通往奇異物質狀態研究那個未知世界的大門。他們通過先進的數學方法對物質不同尋常的相(phase)或狀態(state)開展研究,比如超導體,超流體或是超薄磁膜等。由於他們開創性的工作……相關理論未來有望在材料科學和電子學領域得到廣泛應用。

諾貝爾獎委員會頒獎辭

本次獲獎的三位物理學家均出生於英國。現年82歲的索利斯於1958年在美國康奈爾大學獲得博士學位,目前是華盛頓大學名譽教授;現年65歲的霍爾丹於1978年在英國劍橋大學獲得博士學位,目前是普林斯頓大學希金斯(Eugene Higgins)物理學教授;現年74歲的科斯特利茲於1969年在英國牛津大學獲得博士學位,目前是布朗大學法恩斯沃思(Harrison E. Farnsworth)物理學教授。

三名諾貝爾物理學獎得主,左起:David Thouless、Duncan Haldane、Michael Kosterlitz。
左起:美國華盛頓大學物理學家索利斯(David Thouless)、普林斯頓大學物理學家霍爾丹(Duncan Haldane)和布朗大學物理學家科斯特利茲(Michael Kosterlitz) 攝:Anders Wiklund/TT News Agency via REUTERS

三位獲獎者對物理學中拓撲概念的運用,在他們的創造性發現中起到了關鍵作用。拓撲學(topology)是近代發展起來的一門數學學科,用來研究各類空間在連續的變化下不變的性質。

1970年代,當時的主流觀點認為,超導態和超流體態不可能出現在薄層材料(即二維空間)中,但科斯特利茲和索利斯顛覆了超導體和超流體的這一理論,他們的研究成果不僅展示了超導態在低温下的可能性,還解釋了超導態在温度升高時消失的機理和相變機制。

1980年代,索利斯又解釋了先前實驗中的遺留問題,即薄層材料中測量到的電導率都是精確的整數倍關係,他揭示了這些整數倍電導率是這類材料「天生」的拓撲性質;幾乎同時,霍爾丹應用了拓撲概念來理解某些材料中的「小磁鐵鏈」(chain of small magnets)性質。

如今人們所知道的很多拓撲相,不僅存在於薄層材料和細線材料(即一維空間)中,也存在於普通的三維材料中。在過去10年,該領域一直是凝聚態物理研究的前沿,拓撲材料極有可能應用於下一代的電子器件與超導材料,也可以應用於未來的量子電腦。

31 /110
自1901年起,諾貝爾物理學獎已經頒發110次,其中有31次是三人共享。

拓撲學與物理

在數學裏,拓撲學(topology)或意譯為位相幾何學,是一門研究拓撲空間的學科,主要研究空間內,在連續變化(如拉伸或彎曲,但不包括撕開或黏合)下維持不變的性質。這些詞彙的來源可追溯至哥特佛萊德·萊布尼茲,他在17世紀提出「位置的幾何學」(geometria situs)和「位相分析」(analysis situs)的說法。李昂哈德·歐拉的柯尼斯堡七橋問題與歐拉示性數被認為是該領域最初的定理。「拓撲學」一詞由利斯廷於19世紀提出,雖然直到20世紀初,拓撲空間的概念才開始發展起來。到了20世紀中葉,拓撲學已成為數學的一大分支。在物理學裏,拓撲學被用於量子場論及宇宙論等領域。拓撲量子場論(或稱拓撲場論)是一個用來計算拓撲不變量的量子場論。雖然拓撲量子場論是由物理學家所發明,但亦與數學相關,與代數拓撲學裡的紐結理論及四維流形之理論,以及代數幾何裡的模空間之理論等,均有關連。在宇宙論裏,拓撲學可用來描述宇宙的整體形狀,這個領域被稱為時空拓撲學。(資料來自維基百科)

來源:諾貝爾獎官網新浪科技深科技

2017 年 7 月,端傳媒啟動了對深度內容付費的會員機制。在此之前刊發的深度原創報導,都會免費開放,歡迎轉發,也期待你付費支持我們

如果你喜歡,就分享給更多人吧