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澳门新葡8455手机版:2016诺贝尔奖,实至名归

日期:2019-12-22编辑作者:澳门新葡8455手机版

因为在拓扑相变和物质拓扑相方面的开创性工作,索利斯(David J. Thouless)、霍尔丹(F. Duncan M. Haldane)和科斯特里兹(J. Michael Kosterlitz)分享2016年诺贝尔物理学奖[1]。

戴维·索利斯(David Thouless),邓肯·霍尔丹(Duncan Haldane)和迈克尔·科斯特利茨(Michael Kosterlitz)使用了先进的数学方法来解释异乎寻常的物质状态——比如超导体、超流体或者薄层磁性物质——中的奇特属性。科斯特利茨和索利斯研究了平面世界的现象,也就是在物体表面或者很薄层的物质上所发生的事情,它们可以被认为是二维的世界,和日常描述的三维世界不同。霍尔丹还研究了细丝状的物质,它们可以被认为是一维的。

这三位获奖物理学家都是长期在美国工作的英国人,生于英国,在剑桥大学读本科。

平面世界的物理学和我们日常所感受的物理学很不相同。虽然很薄层的物质依然有数百万的原子组成,虽然每个单一原子的独立行为都能用量子物理学完全解释,但是当很多原子聚在一起时,它们就会表现出截然不同的属性。平面世界里还在不断发现新的现象,而研究它的凝聚态物理现在是物理学中最活跃的领域之一。

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澳门新葡8455手机版 22016年诺贝尔物理学奖得主。戴维·索利斯(左),1934年生于英国贝尔斯丹。1958年获美国纽约州伊萨卡的康奈尔大学博士学位。现为美国西雅图的华盛顿大学名誉教授;邓肯·霍尔丹(中),1956年生于英国伦敦,1978年获英国剑桥大学博士学位。现为美国新泽西普林斯顿大学的尤金希金斯物理学教授;迈克尔·科斯特利兹(右),1942年生于英国阿伯丁。1969年获英国牛津大学博士学位。现就职于美国罗德岛州普罗维登斯的布朗大学,任哈里森·方斯沃斯物理学教授。图片来源:Nobel Media 2016

索利斯生于1934年,在美国康奈尔大学获得博士学位,导师是著名物理学家贝特(Hans Bethe)。他是华盛顿大学荣休教授。

三位诺奖得主使用的拓扑学概念,对他们的发现起到了决定性作用。拓扑学是一个数学分支,研究的是物质在连续变化时,不连续变化的属性。使用现代拓扑学作为工具,今年的三位诺奖得主发现了令人惊讶的结果,开创了许多新的研究方向,使研究者在物理学的多个领域里创造出了全新的重要概念。

霍尔丹生于1951年,在剑桥大学获博士学位,导师我印象里是爱德华兹(Sam F. Edwards)和当时在剑桥大学兼职的著名物理学家安德森(Phil W. Anderson)。他是普林斯顿大学教授。

在低温下,量子物理变得可见

所有物质本质上都遵从量子物理学定律。气体、液体和固体是物质的常见相,它们的量子效应过于微弱,往往被原子剧烈的随机运动所掩盖。但是在极端低温的条件下,接近绝对零度(-273℃)的物质展会现出奇异的新相态,并展现出着出乎意料的行为。只在微观世界中生效的量子物理学,在这种条件下突然变得可见了。

当温度发生变化时,物质的常见相态会从一个变到另一个,比如排列整齐的晶体冰受热后会变成更混乱的液态水。在对物质那不为人知的平面世界进行研究时,我们发现了还尚未被完全探索的相态。

澳门新葡8455手机版 3物质的相。图片来源:nobelprize.org

低温中会有一些奇怪的事情发生。比如,所有运动粒子本应遭遇的阻抗突然消失了。在超导体中的电流不受阻碍就是因为这种情况,超流体中的涡旋之所以能不减速地一直转动也是如此。

20世纪30年代,俄罗斯人彼得·列昂尼多维奇·卡皮察(Pyotr Kapitsa)首先对超流体进行了系统研究。他将空气中的氦-4冷却到-271℃,使其爬上了容器的侧壁。换句话说,在粘性完全消失的情况下,这些氮表现了出超流体的奇异行为。卡皮察获得了1978年的诺贝尔物理学奖,从那时起,人们在实验室创造了好几种不同的超流体。诸如超流体氦、超导体薄膜、磁性材料薄膜和导电纳米线等材料相态现在都有了大量的研究。

科斯特里兹生于1942年,在牛津大学获博士学位,是布朗大学教授。我在颁奖之日所写的即时评论中,曾说:“今年的奖,对他(索利斯)来说,是姗姗来迟。”[2]这句话除了字面意思,还有点特殊含义,因为令人痛惜:索利斯得了阿尔茨海默症。 

“涡旋对”提供了解答

研究人员长期以来一直认为,在一个平坦的二维世界里,热波动会摧毁物质的一切秩序,即使在绝对零度附近的时候也一样。如果没有“有序的相”,就不会产生任何的相变。但在20世纪70年代初,戴维·索利斯(David Thouless)和迈克尔·科斯特利茨(Michael Kosterlitz)在英国伯明翰相识,他们挑战了当时的这一理论。他们共同攻克在二维面上的相变问题(他们自己声称,索利斯是出于“好奇”,而科斯特利茨则是出于“无知”)。这一合作革新了人们对相变的认识,是二十世纪的凝聚态物理理论最重要的发现之一。这就是所谓的KT相变(科斯特利茨-索利斯相变)或BKT相变,其中B是瓦迪姆·别列津斯基(Vadim Berezinskii)——这位来自莫斯科的已故理论物理学家也曾提出类似的想法。

拓扑相变不是冰变成水这样一个普通的相变。在拓扑相变中,起主导作用的是极扁平的材料中的小涡旋。在低温下,它们会形成联系紧密的涡旋对。当温度升高时,相变会发生:涡旋突然离开彼此,并各自在材料中渐行渐远。

澳门新葡8455手机版 4相变。这一刻发生在物质从一个相到另一个相的过渡阶段(比如冰熔化成水)。使用拓扑,科斯特利茨和索利斯描述了一个超低温下的、薄薄的一层物质上发生的拓扑相变。在这种极端的寒冷下,涡旋对形成,然后在达到相变温度时,突然分开。这是在凝聚态物理二十世纪最重要的发现之一。图片来源:nobelprize.org

这个理论的精彩之处在于,它可应用于低维度的不同类型的材料——KT相变是普遍的。它已成为一个有用的工具,不仅在凝聚态的物理世界,而且在物理学的其他领域,如原子物理和统计力学中也有应用。KT相变在其发现者和其他人的努力下有所发展,并通过实验得以证实。

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