从2016年诺贝尔物理奖“物质拓扑相”看物理学在未知领域探索的影响

郑佳安

摘要2016年10月4日，3位美国科学家：戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨，获得诺贝尔物理学奖。这3位物理学家在“物质拓扑相”领域的研究取得重大进展。2016诺贝尔物理奖获奖理由，具体就是指将数学理论“拓扑学”运用到物理现象“相变”的研究中来。那么什么是“物质拓扑相”呢？从“物质拓扑相”可以看出物理学在未知领域的探索有什么影响呢？文章主要对“物质拓扑相”进行分析。

关键词物质拓扑相；物理学；未知领域

近年来，科学发展迅速，各个学科在未知领域都取得了很大的进展，物理学研究同样是突飞猛进。从众多的进展中，我们可以看出，物理学新兴概念的提出，物理学的测量方法，物理学理论成果向实际可用技术的转化，都为其他学科譬如材料学、农业学、信息学的发展提供了技术和理论基础。大到整个宇宙，小到基本粒子，都属于物理学的研究范畴，可以说，物理的发展奠定了科学发展的基石。物质拓扑相的研究从18世纪就产生了，到现在已经有一个世纪的时间了，从数学概念的提出，到物理思想的运用，从集合到几何再到物理中的拓扑相的发生发展，一直是当今世界的热门研究课题。“物质拓扑相”是把数学与物理学结合的一个新兴的研究。我们还只是刚刚进入到“物质拓扑相”的大门，还有很多未知的内容等着我们去探索。

1“拓扑”和“相”的相关概念

1）“拓扑”及“拓扑变换”。“物质拓扑相”中既有数学的概念，又有物理的概念。“拓扑”一词源于数学，指的是几何形状在连续形变中所不变的性质。拓扑变换是对于任意形状的闭曲面，变形过程中不使原来的点重合为同一个点，又不产生新的点，前提是不要把曲面破坏，这种变换就是拓扑变换。例如，一个有把手的茶壶经过连续变化可以成为一个轮胎，却无法成为一个球。平面上的圆和三角形，我们的通常观念里，这是两个不同的图形，但是在拓扑学中，这是两个等价的图形。再举一个例子，用甜甜圈来解释，无论我们将甜甜圈做成方形还是圆形，对甜甜圈加糖还是加盐，都不影响其“相”，只有在甜甜圈上再开一个洞，或者一口将甜甜圈咬开减少其孔洞，才影响“相”。拓扑的概念比较抽象，但是带给了我们一种全新的思维方式，为我们开启了一扇崭新的大门。

2）物理中的“相”与“相变”。“相”是一个物理的概念，我们把自然界中的物质分为3个相，固相、液相、气相。众所周知，一般的相变，即固相、液相、气相三者之间的转换，凭借肉眼是可以辨别的，那么为什么要专门为“拓扑相变”在物理学中设立一个专门的名词呢？原来，一般情况下，物质都有其特定的相变条件，比如0℃以下是冰，0℃～4℃时是冰水混合物，4℃以上则为水。而当物质在一些特殊条件下时，靠温度并不能很好地判断物质所属的相。比如当物体十分薄的时候，相位变化是一种超流体到正常流体的变化，鉴于超薄物体复杂的相位变化不容易理解，物理学家便引入了数学拓扑学的概念——孔洞数量。也就是说，我们可以凭借物体内部粒子的排列形成的孔洞数量来判断物体的相，洞的数量不同，则不属于同一相。这样理解显然要简单得多。

2从“物质拓扑相”看物理学在未知领域探索的影响

1）“物质拓扑相”的思维方式对未知领域探索方式的影响。从“物质拓扑相”的研究中，我们学习到，发现并归纳一种材料的物理性质时，不仅要从其结构上、分子排列上探索，更要注意其“拓扑性质”。“物质拓扑相”提供的是一种全新的思维方式，其从物理数学研究发展而来，认为所有不断变化的过程中又存在着不变的规律。我们可以把这种思维方式运用到其他学科的研究中。按照以前的探索方式，我们可能只是把得到的变化信息整理分析，得出结论。引入“物质拓扑相”概念以后，我们不仅要看到变化的信息，而且应该联想到变化中的不变的规律。就好像一条打结的绳子，我们想解开这个结，却发现绳子是首尾相连的，那么去除绳结唯一的方法就是把绳子割断，这就是拓扑性质的坚固性。这种探索方式对未知领域的探索工作来说是一个挑战，但是，只要努力就会有意外的发现。

2）“物质拓扑相”对未知领域探索方向的影响。根据“物质拓扑相”理论的特点，其可能会引领对微观量子的研究，比如在二维维度的层面研究金属的超导性质，对特殊条件下超导材料的研究，对金属特性的深层剖析，以及在此条件下，创造出具有更加出色的物理性质的金属化合物。其在天体学研究上可能会提供新的思路和方法，帮助天文学家探索更远、更生动的宇宙世界。又比如量子计算机，在拓扑概念里，咖啡杯和面包圈的细致的形状没有什么关系，只跟拓扑有关系。也就是说，它的形状到底是有几个洞，还是像球体一样没有洞。我们可以随便揉捏它，只要不改变洞的数量，那它就还是同一个物理态没有改变。拓扑序具有稳定的物理性质。那么如果我们做一个量子计算机的量子态可以随意揉捏而不发生改变，那它就不会受到外界的干扰。所以怎么利用这个很奇特的性质来做量子计算机，是一个很重要的想法。

3）物理学对未知领域探索的工具作用。正如数学对物理学来说是一门工具学科，多年前大家以为解析几何无用，费马大定理无用，而后发现居然可以应用于物理研究。物理学是一门研究物质最一般运动和物质基本结构的学科，是自然科学的带头学科。各个学科都有物理学的影子，它的理论进展和技术实现很大程度上影响着其他学科对于未知领域探索的进度。比如医学领域，最初对疾病的诊断只能凭外部表现和经验，后来物理传感器的出现，帮助医学研究者探知人体的未知信息，比如血管造影，四维超声等技术的实现。用物理学的技术和方法分析来自天体的电磁辐射，可以得到天体的各种物理参数，得到很多未知的宇宙信息，推动天体学的发展。

4）“物质拓扑相”理论的影响。由对“物质拓扑相”的研究而产生的一系列的产品拓扑绝缘体、拓扑超导体和拓扑金属都是近几年的热门话题，这些拓扑材料可能会对新一代的超导体和电子元件的发展方向起主导作用，拓扑材料还吸引了科研人员的眼球，引发了大家对量子计算机的研究。同样的，在光子系统中实现非平凡的拓扑态，将会提高我们对光传播和光散射的进一步认识。“物质拓扑相”提供了一种物理研究的新思路，从二维的角度对物理性质进行研究，在不断变化之中研究不变的性质。原来的原子级别的研究只是针对电子的数量和电子围绕质子的高速转动进行的，现在随着研究材料体积的不断缩小，只对以上性质进行研究已经不能满足需要了，于是开始对电子的自旋性进行研究。该理论不仅是一个概念上的创新，还引导了人们又一次对未知领域产生无限的遐想和探索，不仅是物理上的创新，还可以渗透到生物分子工程、新材料领域、航空航天等各个方面。

3结论

2016年的諾贝尔物理学奖实至名归，这3位科学家对物理新概念的提出与研究，势必会造成科学界的又一次革命。继牛顿的“三大运动”定律，量子力学，“物质拓扑相”理论又一次刷新了人们对于物质的理解。“物质拓扑相”理论的提出，会加快人们对科学的探索，为人类对未知领域的探索又加了一块垫脚石。之前一个不那么引人注意的学科“拓扑相变”现在变得如此引人注目，再次让人们意识到基础研究的重要性，而不只是着眼于物理学的实际运用。未知领域还很多，“物质拓扑相”理论也许并不能完全满足我们的研究需要。但是这一理论的产生，以及研究成熟以后，或许会引出其他的新理论的出现。总之，“物质拓扑相”理论已经并且将长期保持它对未知领域探索的引导作用。endprint