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新華社洛杉磯10月4日電 特稿：「高冷」理論優美不凡——美國專家解讀諾貝爾物理學獎
新華社記者郭爽
「正如電晶體發明（1956年諾貝爾物理學獎）促進並帶來了半導體技術革命，未來有一天，或許我們在經歷拓撲技術革命時，會回首今天，滿心感慨地看待2016年諾貝爾物理學獎，」美國科學家戴維·謝對新華社記者說，「基礎科學研究的突破性進展，往往是技術革命背後的驅動力。」
瑞典皇家科學院4日宣布，將今年諾貝爾物理學獎授予三名科學家，以表彰他們在物質的拓撲相變和拓撲相方面的理論發現。
戴維·謝和陳諧是美國加州理工學院兩名研究「拓撲相與相變」理論的科學家。他們4日在接受新華社記者專訪時，就今年受諾貝爾物理學獎青睞的「高冷」理論給出解讀。
數學，物理學發展的重要工具
微積分是牛頓力學的基礎，黎曼幾何是廣義相對論的基礎，微分幾何是弦理論的基礎，而量子力學的每次進展也都會有矩陣、群論這樣新的數學工具「加盟」……可以說，每當有新的數學工具被引入物理學，都會極大推動物理學的發展。
這一次也不例外。
「作為一個數學概念，拓撲有很悠久的歷史，但是用於凝聚態理論還是最近40年的事情，」陳諧介紹說。
「數學是我們描述物理世界的語言，把突破性的數學工具運用到物理學領域，就像孩子學習了語法和修辭一樣，可以更深入地理解問題，同時更精確地表達自己的意思，」陳諧說。
作為物理學的「語言」，數學和物理總是親密為伴。戴維·謝告訴新華社記者，「理解一個新的物理學現象，我們有時需要在更廣泛的領域尋求答案，今年贏得諾貝爾物理學獎的研究，就是典型例子」。
「值得一提的是，數學和物理的緊密結合，通常是由新的物理現象所驅動的。」
戳個洞，解釋拓撲理論
「拓撲相與相變」絕對屬於讓大多數人「望而生畏」的深奧理論，不過在科學家眼裡，這些理論優雅美麗、意義非凡。為解釋這個難懂的理論，陳諧舉了個例子。
想像一下，有一個橡皮泥做的球，把它揉一揉，捏一捏，通過小的形變，就可以把球面變成一個正方體的表面，但是卻不能把它變成一個麵包圈的表面。
因為，如果要變成麵包圈的表面形狀，就必須要把球面戳一個洞，這也就打破了這個表面的連續性。而換成「高冷」的專業詞彙，也就是說，球面和麵包圈表面，具有不同的「拓撲性質」；而球面和正方體表面，則具有相同的「拓撲性質」。
「拓撲相」描述的是一個物質的物理性質中特別穩定的部分，這些性質不會隨物體小的連續形變而改變。例如，有一種物理現象叫「量子霍爾效應」，即把一個薄層導體放進兩塊半導體之間，冷卻到極低溫度再加上一個磁場的時候，導體的電導率突然不能像日常一樣連續改變了，而是一步步按整數倍改變。本次諾獎獲得者索利斯就意識到，拓撲學可以描述量子霍爾效應中的這種不連續特徵。
「高冷」理論有什麼用
拓撲理論不僅理論優美，而且在實驗實現上有一系列重要的突破。專家指出，這一理論作為一個基本觀念，將持續深入地影響我們對物質和材料的認識。
陳諧認為，一個重要應用是量子計算機。她介紹說，現在實現量子計算最大的困難在於量子態非常脆弱，如果要保證計算穩定進行，必須使用特殊手段抵禦外界的幹擾。但是基於拓撲理論的量子計算機將信息存儲在穩定的拓撲態裡，在很大程度上不受外界幹擾，因此提供了一個實現量子計算的捷徑。
具有拓撲物性的材料在實現精確標定、低能耗電子器件等方面也具有普通材料不可比擬的優勢。此外，戴維·謝認為，這一理論還可應用於靈敏度更高的光學傳感器和探測器等的研發。
「不過，老實講，最激動人心的技術，可能是那些我們還想像不到的。」
三位得主實至名歸
奪得諾貝爾物理學獎的戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和麥可·科斯特利茨三名科學家，在上世紀70至80年代進行的一系列研究，最早將拓撲學理論引入凝聚態物理學的基礎理論。
對三名獲獎者研究非常熟悉的戴維·謝對記者說，「他們的工作是我眼下研究項目的基礎，獲此殊榮，實至名歸」。
陳諧介紹說，這三名科學家「基於拓撲的概念對凝聚態做出預言的時候，這一概念還沒有被廣泛接受，以至於相關預言的正確性會受到懷疑。但正是由於他們的遠見以及洞察力，將凝聚態的研究帶到了一個新的高度」。
麻省理工學院物理系教授文小剛在發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家，經常潛心在他的物理世界中。有一次我們在瑞士開會的間隙中，去一個植物園遊覽參觀。大家帶了照相機欣賞各種稀奇植物和風景。霍爾丹則帶了一個筆記本，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小時，寫滿整個黑板。可以說，他時常顯示出孩子般的天真。」