三位獲獎科學家

※美國華盛頓大學的戴維·索利斯，

※美國普林斯頓大學的鄧肯·霍爾丹

※美國布朗大學的邁克爾·科斯特利茨

獲獎原因

在物理學的研究中引入了拓撲的概念，發現了物質的拓撲相和拓撲相變。三位科學家採用拓撲學作為研究工具，這一創新遠遠超越了當時的同行。

這上面出現了「拓撲」及「相變」等名詞，先別著急，下文中會有說明。

三位獲獎者共有特點

※讀書和科研都在美國一流的大學。

※在獲得諾貝爾物理學獎之前就已經是聲名顯赫的專家，已經拿到了與諾貝獎量級相當的物理學大獎。

※獲獎的科研成果全部是30多年前做出的。

在我介紹三位的科研成果之前，先介紹一些概念，點到為止：

１.

拓撲

拓撲是數學的一個分支，拓撲有一個形象說法——橡皮膜上的幾何學。如果圖形都是用橡皮做成的，就能把許多圖形進行拓撲變換。例如一個橡皮圈能變形成一個圓圈或一個方圈。

２.

拓撲學研究什麼

研究幾何形狀在連續形變中所不改變的性質。拓撲所研究的是幾何圖形的一些性質，它們在圖形被彎曲、拉大、縮小或任意的變形下保持不變的性質。

今天，諾貝爾委員會官員就在發布會現場用麵包圈來解釋拓撲，通俗易懂。

３.

拓撲變換

對於任意形狀的閉曲面，變形過程中不使原來不同的點重合為同一個點，又不產生新點，只要不把曲面撕裂或割破，這種變換就是拓撲變換。

４.

拓撲等價

比如，圓、方形、三角形在拓撲變換中它們都是等價圖形。在拓撲變換下，點、線、塊的數目仍和原來的數目一樣，這就是拓撲等價。

例如，一個有把手的茶壺連續變化成輪胎，而不是一個球。所以在拓撲變換下，有把手的茶壺與輪胎拓撲等價，與球拓撲不等價。

學了拓撲之後，戴手錶需謹慎！

假如人類的身體可以像橡膠一樣進行拓撲變換，那麼用兩手的拇指和食指做成兩個套著的圓環之後，我們可以在不放開手指的情況下解套：

戴了手錶之後

如果手腕上戴一塊手錶，就不能解套：

順便提一下

還有數學的另外一個分支：微分幾何，主要是用微分工具來研究曲線、曲面等在一點附近的彎曲情況，而剛才介紹的拓撲學則是研究曲面的全局的情況。

可以猜想，這兩門學科應該存在某種聯繫。果然，早在1945年，數學家陳省身就做出了一個重大的成果：建立了代數拓撲和微分幾何的聯繫。

５.

相變

相變是一個物理學該概念，就是物質在外界條件連續變化時，從一種「相」突然變成另一種「相」的過程。很顯而易見的一個例子就是液態水凝結成為固態冰的過程。

拓撲與物理研究結合

拓撲，研究的是幾何圖形在連續變形下的不變性；而相變也是外界條件連續變化時候發生的，物理學關注的也是在一些變化表象中的不變規律。

兩者具有極大的共通性。

在拓撲學上已經發展的成熟方法和很多規律可以移植到物理學的研究上，三位獲獎者在很早的時候就做了這一嘗試，使用物理學中的拓撲概念，使人類有機會了解物質的新的奇異階段和奇異性質。

數學與物理的結合：歷史一再重演

愛因斯坦

當年愛因斯坦進行了一次數學與物理學最偉大的結合，將一種稱之為「黎曼幾何」的數學工具引入了物理學的引力研究之中，大名鼎鼎的「廣義相對論」誕生了。

楊振寧

又使我想起了當年楊振寧用數學上的「纖維叢理論」來研究物理學中的「規範場」，把物理學中「規範場」的基本概念準確對應到數學中「纖維叢」的基本概念。這種跨學科的大膽創新，使得「楊-米爾斯場」的整體描述誕生了。

獲獎科研成果

索利斯和科斯特利茨兩位科學家是在經典系統中發現拓撲相變，霍爾丹是在電子物理材料系統中研究拓撲超導。

科斯特利茨和索利斯在20世紀70年代早期，提出超導和超流的新模型，並解釋了超導在溫度升高時消失的原因和機制。

索利斯在20世紀80年代，解釋了超薄層材料所具有的拓撲性質，即某些特徵數，薄層物質的的電導率會以整數倍發生變化。霍爾丹發現了拓撲概念可以用來理解一維線性材料的磁學特性，可以理解一些材料中發現的小磁體鏈的特性。

展望

三位獲獎者的科研成果和開創的拓撲學研究方法，已經在一維、二維、三維材料中都有應用，有望將拓撲材料應用到新一代電子或超導產品，或未來的量子計算機中。

帶著原始的好奇心，靜下心來十年磨一劍；並且，越來越多的科研「牽一髮而動全身」，需要對整個自然科學有比較全面的了解；只有這樣，在某一具體細分領域做出重大科研成果的可能性才大。愛因斯坦、三位獲獎者以及楊振寧等都是很好的榜樣。

在下子欲。

讀此文，如果您受益了，乾脆點個贊、關個注、分個享(*^ω^*)