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2016诺贝尔物理奖咏吟(组图)

45 阅 - - 科教 - 来源:陈晨星博客
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物态纷纭构大千,

量子凝聚启新篇。

朗道对称二维混,

开谛相变几涡旋。

霍耳状奇拓扑序,

省身数粲流形端。

何言此奖惟泛泛,

洞见真相妙自传。 

前值诺奖公布,闻某砖家笑嗤曰:时无雄才,竖子成名,何足大惊小怪。吾即驳曰:噫!谬见!遂试阐之。意犹未尽,乃照例登科普讲坛,不免一番大言不惭。自觉于凝聚态范畴浅尝辄止,如坐井观天,抛砖者亦成砖家。后来者任重道远。又凑七言小律,娱己误人耳。

注释也科普:

1.生活中常见的物态主要是三种:固、液、气态。物态变化是初中阶段的物理知识,常说六种。这是由于三态两两转化,分别是汽化、液化、熔化、凝固、升华和凝华。其实物态还包括:等离子态、超固态、软物质态、量子凝聚态等,在宇宙中占的份额远比三态更多。“相”的概念在现代科学中应用广泛,不同学科定义略有不同,一般是指物化性质以及结构完全相同或相似且均匀的部分。比如同样是固态的碳,石墨与金刚石就是不同的相。所以相比物态种类,“相”的数量要远多于物态,也有时把物态称为相态。正是这千变万相构成了丰富多彩的大千世界。

2.今年诺奖在凝聚态方面,特别表彰“在拓扑相变以及拓扑材料方面的理论发现”。三位均生于英国后在美国大学从事研究的物理学家: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)在上世纪七八十年代完成了这方面的发现。朗道作为凝聚态理论的主要奠基人提出的连续相变理论无法预言和解释低温二维材料中的一些现象,如薄层中的超导和超流现象,对称性破缺是其理论基石。故有“朗道对称二维混”。当索利斯和他的博士后科斯特利茨将拓扑学引入到物质相变的研究后,成功突破,为近代凝聚态理论开辟了道路。在二维材料中的低温实验中发现有一种涡旋,可以顺、逆时针旋转,属于一种典型的拓扑不变量。低于相变温度时,小涡旋成对出现,彼此靠近形成束缚态。当温度升高后,涡旋又彼此远离,破坏了长程相位有序性。这种相变以二者姓氏被命名为KT相变。考虑谐音、对仗、双关,用“开谛”来表示KT,所以有“开谛相变几涡旋”。

3.霍耳效应是美国物理学家霍尔(E.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金属的导电机制时发现,当电流通过导体时,外加垂直磁场,致载流子偏转,在垂直于电流和磁场的方向的导体两端形成电势差。近百年后,德国物理学家冯克利青(K von Klitzing, 1943-)等在研究极低温度和强磁场半导体时发现了量子整数霍耳效应,并获1985年的诺贝尔物理奖。随后1998年物理诺奖颁给了包括美籍华裔物理学家崔琦(Daniel Chee Tsui,1939- )在内的三人,他们在更强磁场下研究发现分数量子霍尔效应。量子霍尔效应的陆续发现使人们对量子现象的认识更进一步,对凝聚态物理意义重大。今年的另一位诺奖得主霍耳丹在研究某种一维线性磁性材料“量子自旋链”,同样用拓扑的概念解释其性质,并且还发现了量子反常霍耳效应的一种机制。霍耳效应如同聚宝盆,有许多现象等待深入研究。两位霍耳不仅姓名有重叠,贡献也相互关联。这正是“霍耳状奇拓扑序”。

4.陈省身是二十世纪世界最重要的微分几何学家之一。华人数学家中的巅峰人物。陈省身结合微分几何与拓扑学的方法,完成了两项划时代的工作:高斯-博内-陈定理和Hermitian流形的示性类理论,成为微分几何乃至现代数学重要的工具。索利斯所引入的量子拓扑量——陈数(Chern Number)是微分几何的重要概念,可以理解为某些流形上的积分,是拓扑学关于不变量理论。在量子霍尔效应中陈数也对应霍尔电导的量子化数。粲,鲜明、美也。故作“省身数粲流形端”。

5.为科普讲座取了个还算有趣的名字叫“洞见真相”,说明洞对于拓扑学的重要性,同样可以应用于相变,难怪连诺奖发布时都用到没有洞、一个洞、两个洞的瑞典面包(都吃过,但名字不好记)。另外近年来华人科学家在这个领域也成果斐然,做出了比肩诺奖的发现。如斯坦福大学的张守晟在拓扑绝缘体方面的开创工作、清华大学物理系薛其坤团队的量子反常霍尔效应等等。先别急,诺奖也要排队,先下后上,来日方长。