2016年诺贝尔物理学奖由3位科学家获得，他们分别是：大卫·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨，获奖原因是他们在物质的拓扑相变和拓扑相方面的发现。拓扑相变到底什么意思？很多人可能一头雾水。其实，这方面的研究和我们的日常生活密切相关。快来涨涨姿势！

获奖理由：将数学概念应用于物理研究

拓扑学是数学的一个分支。据诺贝尔奖评选委员会介绍，三名获奖者将拓扑概念应用于物理研究，这是他们取得成就的关键。

要想知道什么是“物质的拓扑相变和拓扑相”，得先知道什么是拓扑、什么是相变。

拓扑学（topology）是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能有一些性质保持不变的学科，它只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小。

相变就是物质在外界条件连续变化时，从一种“相”突然变成另一种“相”的过程，比如冰融化成水。

△ 资料图/视觉中国

拓扑学：以“洞”为单位来区分

△ 拓扑游戏/视觉中国

如果还不太明白，举个例子来说，一个甜甜圈等于一个有手柄的茶杯，一个橙子等于一个长方体，这些看似完全错误的“等式”在拓扑学家眼里却是“正确”的。在拓扑学家眼中，物体的几何性质不仅可用寻常的“形状”或是“大小”来区分，也可用“洞”的数量来衡量，这就是物体的拓扑性质。

△ 莫比乌斯环

即，甜甜圈和有手柄的茶杯虽外形不同，但共同点是都有“一个洞”，而橙子和长方体都“没有洞”，因此，这两种原本风马牛不相及的物体，在拓扑学的概念里都是同一类。

通俗来讲，假如有三个面包，分别为一个洞都没有的肉桂面包，有一个洞的甜甜圈和含有两个洞的碱水面包，虽然在寻常的概念里都属于面包，但在拓扑学的定义里，这三个面包完全属于三类，毫无关联。

相变方面，日常生活中最常见的“相”是气态、液态和固态。而在一些极端的条件下，比如极高的温度或者极低的温度，会出现很多更为奇异的状态。

我们所看到的相变，是分子在微观层面上一起作出改变的结果。比如宏观上，冰融化成水，再蒸发成水蒸气的过程中：在微观上，分子先是像方阵兵一样十分整齐地排列着，在宏观上就表现出冰的状态。当温度升高，士兵们在附近自由活动，不再整齐地保持队列，但依然挨在一起，在宏观上就呈现了水的形态；当温度再升高，士兵们完全自由运动，就呈现了水蒸气的状态。

说白了，拓扑相变的研究对于制造出非常薄的材料以及超导物质很有帮助，物质所呈现的形态也比我们通常认为的固态、液态和气态更丰富。拓扑材料对于新一代电子元件和超导体会十分重要，未来还可能导向量子计算机的研究。

“拓扑相变”与生活有何关联？

手机充电或可不发热

具体到与我们日常生活的关系，这项研究最大的“受益者”，估计是长时间抱着手机不放的“低头族”。未来，你的手机可能不再发烫。拓扑绝缘体材料是一种边界上导电、体内是绝缘体的新型量子材料。导电的边界由于独特的物理特性，在导电过程中不会发热。如果能够将拓扑绝缘体材料制成手机芯片，那么就有希望解决手机在长时间充电，或是连续使用时间过长后变得发烫的问题。

有望大幅降低电耗

另外，每个家庭里使用的电力，最开始从发电厂输出时其实电压远不止220伏特，发电厂发出的其实是高压电。但较大一部分电流在通过电线输送到千家万户的过程中，都会产生损耗。如果能够将电线“改造升级”，使用超导材料或是拓扑绝缘体材料，那么便有希望大幅度降低电流“在路上”的损耗。

在过去十多年中，科研工作者在拓扑材料研究领域取得了丰硕的成绩。研究人员认为，拓扑材料将在未来的电子和超导体以及量子计算机研发中得到应用。

来源 央视新闻客户端

编辑 小米