诺贝尔奖获得者利用形状数学来解释奇异物质

百吉饼和椒盐卷饼与某些材料的物理学有很多共同之处：这些零食说明了奇异物质状态理论描述背后的数学原理，这项工作于 10 月 4 日获得了 2016 年诺贝尔物理学奖。西雅图华盛顿大学的戴维·索利斯、布朗大学的 J. 迈克尔·科斯特利茨和普林斯顿大学的邓肯·霍尔丹因其研究而获奖，他们的研究预测了新型材料并激发了人们对拓扑材料领域的兴趣。

许多物理学家对这一选择感到惊讶；网上猜测该奖项将颁发给首次探测引力波的人（SN：3/5/16，第 6 页），于 2 月 11 日公布。但提名截止日期早于该日期——研究人员通常要等待数十年才能获得诺贝尔奖。

对于索利斯、科斯特利茨和霍尔丹来说，“这是实至名归的认可”，普林斯顿大学物理学家 M. 扎希德·哈桑说道，“这是一项相当抽象的理论工作。它并不像发现一种新粒子，而是关于普通物质如何以非凡的方式表现。”

**变形马克杯**在数学的一个分支学科——拓扑学中，杯子和百吉饼是等价的，因为它们都有一个洞。一种形状可以变形为另一种形状，而不需要将其拆开或重新粘贴在一起。LucasVB/维基共享资源

三位科学家的工作由拓扑学的概念统一起来，拓扑学是数学的一个分支，主要研究形状。在拓扑学中，不同的形状以突变为特征。斯德哥尔摩大学物理学家、诺贝尔奖委员会成员托尔斯·汉斯·汉森 (Thors Hans Hansson) 解释说，例如，百吉饼与肉桂卷不同，因为百吉饼只有一个孔，为了演示，他还自带了一份拓扑午餐。瑞典式椒盐卷饼有两个孔，同样也不同于百吉饼。但百吉饼和咖啡杯都有一个孔，它们是拓扑孪生——一种形状可以逐渐变形为另一种形状，而无需剪切或粘贴。

物理学家利用拓扑学的概念，探索极端条件下出现的异常物质状态，包括接近绝对零度的温度，此时量子力学对物质的行为至关重要。这种异常量子状态包括超导体（导电时无阻力）和超流体（流动时无摩擦）。这项获奖研究预测了二维材料片或一维原子链中出现的新型现象——这些行为后来在实验室中被观察到。

这些发展引起了人们对新型拓扑材料兴趣的激增，这是物理学中最热门的话题之一（序号:5/22/10，第 22 页）霍尔丹在宣布获奖结果的电话采访中说：“人们突然意识到，量子力学中的拓扑效应是一门极其丰富的学科。”他说，获得这一荣誉令他“非常惊讶和欣慰”。

德国维尔茨堡大学实验物理学家劳伦斯·莫伦坎普说，这些获奖者“无疑是第一批强调拓扑结构在物理现象中的作用的人”。他说，“他们都非常有能力，绝对应该获得诺贝尔奖。”

800 万瑞典克朗（约合 934,000 美元）奖金的一半归索利斯，另一半则由科斯特利茨和霍尔丹平分。这三位物理学家都来自英国：索利斯于 1934 年出生于苏格兰贝尔斯登；霍尔丹于 1951 年出生于伦敦；科斯特利茨于 1942 年出生于苏格兰阿伯丁。

科斯特利茨得知这一消息后他接到的电话当时他正在芬兰的一个停车场旅行。“天啊，这太不可思议了，”科斯特利茨在通话中说道，这段通话被发布在诺贝尔奖的 Facebook 页面上。“在赫尔辛基郊外的地下停车场听到这个消息感觉有点奇怪。”

索利斯和科斯特利茨发现了二维材料的相变。虽然每个人都熟悉某些相变（例如冰融化成水），但当材料性质突然发生变化时，奇异的量子材料会表现出不同的、不太直观的相变。两人发现了一种新的相变，称为科斯特利茨-索利斯相变。在低温下，旋转电子的龙卷风状涡旋被锁定在一起。随着温度升高，这些涡旋突然分离并独立移动。这种相变类型已在实验室中在超流氦和超导体的极薄薄膜中看到。