获得诺奖的“拓扑相变”是什么?

  次阅读 作者:智能小宝 来源:互联网 2016-10-08 08:57 我要评论(0)

本文为媒体科学与果壳网合作稿件

2016年诺贝尔物理学奖,授予戴维·索利斯(David Thouless),与邓肯·霍尔丹(Duncan Haldane)和迈克尔·科斯特利茨(Michael Kosterlitz),以表彰他们在理论上发现了物质的拓扑相变和拓扑相。拓扑学是三位得奖者能做出这一成就的关键,它解释了为什么薄层物质的的电导率会以整数倍发生变化。

如果上面这段话给你一种“每个字都认识但合起来不像中文”的感觉,别怕。果壳给你一个说人话的版本,解释一下他们仨都做了什么——

文/Ent 编辑/安然

1

一般的物质是按照一定规律排列的,比如冰是水分子按照网格排列起来形成的固态物。

物理上,我们说固态是一种“相”。

如果给冰加热,它会变成液态水,也就是另一种“相”。里面的水分子依然有规律,但就变成另一种规律了。

这样的变化被称为“相变”。

固体液体气体之间的相变我们见多了,但是在低温或高温状态下,某些物质呈现出了我们从未见过的“相”……

当物质变得很薄的时候,它们的特征会发生有趣的改变。人们曾经认为,对于很薄层的物质,分子的随机运动会让它陷入无序之中,所以不会遵循任何规律,或者说,没有任何有序的“相”。那么,自然也就谈不上相变了。

但是20世纪70年代,戴维·索利斯和迈克尔·科斯特利茨发现并非如此,只要温度足够低,它们也可以是有序的,也有“相”;非但如此,它们的相变还特别奇异,与日常里冰变成水那种相变很不一样。决定这一相变的因素是薄层物质上“旋”;当温度上升的时候,本来成对出现的旋突然都分开了。这样的相变被称为“拓扑相变”——因为它用到了拓扑学来描述。

2

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。

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