今天獲諾貝爾獎的這項研究，中國也走在前面！

原標題：今天獲諾貝爾獎的這項研究，中國也走在前面！

？？？？繼諾貝爾生理學或醫學獎揭曉之後，2016年諾貝爾物理學獎也於北京時間10月4日下午揭開面紗，大衛·索雷思、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特里茲三位科學家共享這一獎項，其中索雷思獲得獎金總額的一半，霍爾丹和科斯特里茲共獲獎金另一半。值得一提的是，這三位科學家均出生於英國，後來又都供職於美國知名高校。

？？？？對很多科學的門外漢來說，物理學的諾貝爾獎獲得者，可能是他們所知道的科學家里，最耳熟能詳的一批人：阿爾伯特·愛因斯坦、尼爾斯·玻爾、馬克斯·普朗克、居里夫人、倫琴、薛定諤、海森堡，等等。不過獲得物理學諾獎的成果，也可能是人們最費解的，至少比起生理學醫學和人類健康息息相關的研究，物理學領域的名字聽上去就十分拗口、「不明覺厲」。

？？？？以今天獲得諾獎的物理研究為例——拓撲相變，看到這四個字，就可能讓很多非科學人士讀不下去了。根據諾獎官網的說法，之所以把獎項頒給這三位科學家，是為了表彰他們在理論上發現了拓撲相變和物質的拓撲階段。那麼，究竟是什麼拓撲相變，這項研究對人類的生活意味著什麼，中國在這方面的研究又如何？中國青年報·中青在線記者採訪中科院物理研究所研究員翁紅明，對此進行解讀。

？？？？（1）他們的發現「打開了一個未知世界的大門」

？？？？來自諾獎官網的消息稱，這三位2016年諾貝爾物理學獎獲得者「打開了一個未知世界的大門」，在那個世界裡，物質呈現奇怪的狀態。這三位獲獎者用一些高等數學方法研究物質的不尋常階段或狀態，如超導體、超流體或薄磁膜，在他們的研究下，人類對物質的探索才進入了一個新的階段。

？？？？「這是一項十分具有開創性的工作。」翁紅明如此評價這項研究，他告訴記者，如今十分熱門的拓撲絕緣體、拓撲半金屬等研究方向，都是在這項研究的基礎上才得以開展。

？？？？正如諾獎官網所說，此刻，許多研究人員正在慢慢解釋奇異世界裡物質的秘密，而這個奇異世界，是由今天的三位諾貝爾物理學獎獲得者發現的。

？？？？今天公布諾獎的發布會，現場連線了鄧肯·霍爾丹，當得知這消息時，他表示「非常吃驚」，也感到「非常自豪」。當被問到這項工作對現實生活有什麼用時，霍爾丹表示，在過去十年里，這一領域的研究促進了凝聚態物理研究的前沿發展，人們不僅僅對拓撲材料能夠在新一代電子器件和超導體中產生應用抱有希望，而且看好其在未來量子計算機方面的應用。

？？？？翁紅明給出了更進一步地解釋，他告訴記者，一旦這項研究再往前發展，就可能實現低能耗的電子傳輸，有望解決當前電子器件小型化和多功能化所面臨的能耗問題，這也將給未來的計算機發展帶來翻天覆地的變化。

？？？？（2）看不懂時拆開來念：「拓撲」「相」「變」

？？？？那麼這項研究，也就是所謂的「拓撲相變」究竟是什麼？可以把這個詞拆開來看，拓撲、相變，而相變還可以拆為「相」和「變」。「相」通俗地說可以理解為物質的形態，比如固態，液態，氣態，「變」是指變化，「相變」就是物質形態的變化，比如冰融化成水，就是發生了相變。

？？？？在科學界，主流的觀點一度認為，對於很薄的物質，分子的隨機運動會讓它陷入無序之中，即不會存在「相變」。但在1970年代早期，邁克爾·科斯特里茲和大衛·索雷思推翻了這一觀點，他們認為，在溫度足夠低的條件下，很薄的物質也是會發生「相變」的。

？？？？他們將自己證明的「相變」，稱之為「拓撲相變」，因為這用到了拓撲學來描述。正如諾獎官網所說，三位獲獎者將拓撲學概念應用到物理學，這給他們後來的發現起到了決定性作用。

？？？？拓撲是一個數學上的名詞，它研究的是那些「不連續」的特徵，這並不容易理解。在今天公布諾獎的發布會上，諾獎官方的工作人員還舉起了幾塊麵包——沒有洞的肉桂卷、一個洞的麵包圈和兩個洞的鹼水面，充當科普工具，來解釋究竟什麼是「拓撲」——在拓撲上，這幾種結構是完全不一樣的，即洞的數量不同。

？？？？在1980年代，索雷思提出用tknn數來標識整數量子霍爾效應，即在一個非常薄的電導層中出現精確的整數霍爾電導的現象，他證明了這些整數在本質上是具備拓撲性質，且直接對應觀測到的整數量子電導。

？？？？如今，人們已經知道拓撲相有很多種，它們不僅存在於薄層和線狀物，還存在於普通的三維材料中，這就是所謂的新的奇異的世界。

？？？？（3）「天才級的」：數學不好的物理學家不是諾獎得主？

？？？？今天接受媒體記者群訪的鄧肯·霍爾丹，恰巧是翁紅明比較熟悉的一位，翁紅明形容他是一位「非常聰明的」、「天才級的」理論物理學家，做了很多開創性的工作，而且霍爾丹的數學非常好。

？？？？這是一個在物理學領域較為常見的細節——數學好，以中國人所熟知的諾獎獲得者楊振寧為例，他就是一位頗具有數學天賦的物理學家，他也曾公開表示，他一生物理工作中都帶有清簡美妙的數學風格。

？？？？翁紅明說，物理學家尤其是理論物理學家，的確需要比較深厚的數學功底，這一點，從牛頓把現代物理學的開山之作，命名為《自然哲學的數學原理》就可以看出來。畢竟數學是最基礎的自然科學，對構建理論十分必要。

？？？？霍爾丹在媒體群訪時還提到，他之所以走上拓撲相變這條路，最初的契機是為了「證明另一個理論是錯的」。這樣的說法吸引了不少媒體的關注，不過在自然科學領域，挑戰已知「權威」的成功案例並不少見。

？？？？在翁紅明看來，一個研究人員，如果沒有挑戰現有理論的勇氣，他的研究很可能構不成一個開拓性的發現，「畢竟不破，不立」。

？？？？（4）中國在拓撲研究領域處在前沿位置

？？？？令人欣喜的是，在物理學領域，尤其是拓撲研究領域，中國的表現並不落後。在翁紅明看來，就是說中國物理學界在國際拓撲領域處於前沿位置、走在最前面，也並不為過。

？？？？就在去年，翁紅明所在的中科院物理所方忠、戴希研究團隊，就成功在TaAs晶體中發現了外爾費米子，這是這類特殊的電子第一次展現在科學家面前。這一研究入選了英國物理學會主辦的《物理世界》(Physics World)公布「2015年十大突破」。

？？？？外爾費米子，就是拓撲半金屬研究方向的一個重要課題。

？？？？在此之前的2013年，我國科研團隊獨立實現「量子反常霍爾效應」，也是拓撲研究領域的一個重要延伸課題。1988年，鄧肯·霍爾丹——就是今天的諾獎獲得者，他提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應，但是多年來一直未找到能實現這一特殊量子效應的材料體系和具體物理途徑。

？？？？在2010年，我國的科研單位率先在該領域取得突破。中科院物理所方忠、戴希研究團隊與斯坦福大學張首晟團隊合作，從理論與材料設計上取得了突破，被《科學》雜誌稱作「實現量子反常霍爾效應的最佳體系」。2013年，這兩個單位的研究人員和清華大學的團隊，又在極低溫輸運測量裝置上觀測到了「量子反常霍爾效應」，至此完成了「量子反常霍爾效應」的實現，其研究結果於3月14日在線發表於美國《科學》雜誌。

？？？？同一年的4月19日，中科院物理所和清華大學召開新聞發布會公布這項成果，當時，楊振寧毫不猶豫地將這一成果稱為「這是第一次從中國實驗室里發表的諾貝爾獎級的物理學論文」。

？？？？這項研究叫「量子霍爾效應」。在那以前，發現「整數量子霍爾效應」與「分數量子霍爾效應」的科學家分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學獎。而整個「量子霍爾效應」家族裡，至此仍未被發現的成員就是「量子反常霍爾效應」，也被認為是有望衝擊諾貝爾獎的一個研究。

？？？？本報北京10月4日電

？？？？（教育科學部編輯）

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