新華社洛杉磯１０月４日電特稿：“高冷”理論優(yōu)美不凡——美國(guó)專家解讀諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

新華社記者郭爽

“正如晶體管發(fā)明（１９５６年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）促進(jìn)并帶來了半導(dǎo)體技術(shù)革命，未來有一天，或許我們?cè)诮?jīng)歷拓?fù)浼夹g(shù)革命時(shí)，會(huì)回首今天，滿心感慨地看待２０１６年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，”美國(guó)科學(xué)家戴維·謝對(duì)新華社記者說，“基礎(chǔ)科學(xué)研究的突破性進(jìn)展，往往是技術(shù)革命背后的驅(qū)動(dòng)力?！?/p>

瑞典皇家科學(xué)院４日宣布，將今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予三名科學(xué)家，以表彰他們?cè)谖镔|(zhì)的拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎喾矫娴睦碚摪l(fā)現(xiàn)。

戴維·謝和陳諧是美國(guó)加州理工學(xué)院兩名研究“拓?fù)湎嗯c相變”理論的科學(xué)家。他們４日在接受新華社記者專訪時(shí)，就今年受諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)青睞的“高冷”理論給出解讀。

數(shù)學(xué)，物理學(xué)發(fā)展的重要工具

微積分是牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)，黎曼幾何是廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)，微分幾何是弦理論的基礎(chǔ)，而量子力學(xué)的每次進(jìn)展也都會(huì)有矩陣、群論這樣新的數(shù)學(xué)工具“加盟”……可以說，每當(dāng)有新的數(shù)學(xué)工具被引入物理學(xué)，都會(huì)極大推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展。

這一次也不例外。

“作為一個(gè)數(shù)學(xué)概念，拓?fù)溆泻苡凭玫臍v史，但是用于凝聚態(tài)理論還是最近４０年的事情，”陳諧介紹說。

“數(shù)學(xué)是我們描述物理世界的語言，把突破性的數(shù)學(xué)工具運(yùn)用到物理學(xué)領(lǐng)域，就像孩子學(xué)習(xí)了語法和修辭一樣，可以更深入地理解問題，同時(shí)更精確地表達(dá)自己的意思，”陳諧說。

作為物理學(xué)的“語言”，數(shù)學(xué)和物理總是親密為伴。戴維·謝告訴新華社記者，“理解一個(gè)新的物理學(xué)現(xiàn)象，我們有時(shí)需要在更廣泛的領(lǐng)域?qū)で蟠鸢?，今年贏得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的研究，就是典型例子”。

“值得一提的是，數(shù)學(xué)和物理的緊密結(jié)合，通常是由新的物理現(xiàn)象所驅(qū)動(dòng)的?！?/p>

戳個(gè)洞，解釋拓?fù)淅碚?/p>

“拓?fù)湎嗯c相變”絕對(duì)屬于讓大多數(shù)人“望而生畏”的深?yuàn)W理論，不過在科學(xué)家眼里，這些理論優(yōu)雅美麗、意義非凡。為解釋這個(gè)難懂的理論，陳諧舉了個(gè)例子。

想象一下，有一個(gè)橡皮泥做的球，把它揉一揉，捏一捏，通過小的形變，就可以把球面變成一個(gè)正方體的表面，但是卻不能把它變成一個(gè)面包圈的表面。

因?yàn)?，如果要變成面包圈的表面形狀，就必須要把球面戳一個(gè)洞，這也就打破了這個(gè)表面的連續(xù)性。而換成“高冷”的專業(yè)詞匯，也就是說，球面和面包圈表面，具有不同的“拓?fù)湫再|(zhì)”；而球面和正方體表面，則具有相同的“拓?fù)湫再|(zhì)”。

“拓?fù)湎唷泵枋龅氖且粋€(gè)物質(zhì)的物理性質(zhì)中特別穩(wěn)定的部分，這些性質(zhì)不會(huì)隨物體小的連續(xù)形變而改變。例如，有一種物理現(xiàn)象叫“量子霍爾效應(yīng)”，即把一個(gè)薄層導(dǎo)體放進(jìn)兩塊半導(dǎo)體之間，冷卻到極低溫度再加上一個(gè)磁場(chǎng)的時(shí)候，導(dǎo)體的電導(dǎo)率突然不能像日常一樣連續(xù)改變了，而是一步步按整數(shù)倍改變。本次諾獎(jiǎng)獲得者索利斯就意識(shí)到，拓?fù)鋵W(xué)可以描述量子霍爾效應(yīng)中的這種不連續(xù)特征。

“高冷”理論有什么用

拓?fù)淅碚摬粌H理論優(yōu)美，而且在實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)上有一系列重要的突破。專家指出，這一理論作為一個(gè)基本觀念，將持續(xù)深入地影響我們對(duì)物質(zhì)和材料的認(rèn)識(shí)。

陳諧認(rèn)為，一個(gè)重要應(yīng)用是量子計(jì)算機(jī)。她介紹說，現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算最大的困難在于量子態(tài)非常脆弱，如果要保證計(jì)算穩(wěn)定進(jìn)行，必須使用特殊手段抵御外界的干擾。但是基于拓?fù)淅碚摰牧孔佑?jì)算機(jī)將信息存儲(chǔ)在穩(wěn)定的拓?fù)鋺B(tài)里，在很大程度上不受外界干擾，因此提供了一個(gè)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的捷徑。

具有拓?fù)湮镄缘牟牧显趯?shí)現(xiàn)精確標(biāo)定、低能耗電子器件等方面也具有普通材料不可比擬的優(yōu)勢(shì)。此外，戴維·謝認(rèn)為，這一理論還可應(yīng)用于靈敏度更高的光學(xué)傳感器和探測(cè)器等的研發(fā)。

“不過，老實(shí)講，最激動(dòng)人心的技術(shù)，可能是那些我們還想象不到的。”

三位得主實(shí)至名歸

奪得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨三名科學(xué)家，在上世紀(jì)７０至８０年代進(jìn)行的一系列研究，最早將拓?fù)鋵W(xué)理論引入凝聚態(tài)物理學(xué)的基礎(chǔ)理論。

對(duì)三名獲獎(jiǎng)?wù)哐芯糠浅Ｊ煜さ拇骶S·謝對(duì)記者說，“他們的工作是我眼下研究項(xiàng)目的基礎(chǔ)，獲此殊榮，實(shí)至名歸”。

陳諧介紹說，這三名科學(xué)家“基于拓?fù)涞母拍顚?duì)凝聚態(tài)做出預(yù)言的時(shí)候，這一概念還沒有被廣泛接受，以至于相關(guān)預(yù)言的正確性會(huì)受到懷疑。但正是由于他們的遠(yuǎn)見以及洞察力，將凝聚態(tài)的研究帶到了一個(gè)新的高度”。

麻省理工學(xué)院物理系教授文小剛在發(fā)給記者的郵件中回憶說：“霍爾丹是一位非常專注的理論物理學(xué)家，經(jīng)常潛心在他的物理世界中。有一次我們?cè)谌鹗块_會(huì)的間隙中，去一個(gè)植物園游覽參觀。大家?guī)Я苏障鄼C(jī)欣賞各種稀奇植物和風(fēng)景。霍爾丹則帶了一個(gè)筆記本，低頭算了一路。他也喜歡非常熱心地給你講他的新理論，一講就可以講兩三個(gè)小時(shí)，寫滿整個(gè)黑板?？梢哉f，他時(shí)常顯示出孩子般的天真?！?/p>