诺贝尔物理学奖小科普:什么是拓扑?什么是相变?

果壳网  2016-10-04 20:47

看不懂今年的诺贝尔物理学奖?为什么这些字每个字都知道,合起来就不认识了?先别急,诺奖官方推特做了一个简单的介绍。

要想知道什么是“物质的拓扑相变和拓扑相”。你得先知道什么是拓扑、什么是相变。

[拓扑]:拓扑学是数学的一个分支。它的主要研究内容,是几何形状在连续形变中所不改变的性质。例如,一个有把手的茶壶连续变化成轮胎,而不是一个球。(见图1)

图1

[相变]: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。(见图2)

图2

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。(见图3)

图3

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,分子和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,再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。

而戴维·索利斯和迈克尔·科斯特利茨还提出了BKT相变(Berezinskii–Kosterlitz–Thouless transition),它在微观上是这样的:一群士兵分别围绕几个长官转圈。为了一直转下去,有一群顺时针的士兵,就要有一群逆时针转的。一开始,每一个逆时针的长官都和一个顺时针的长官配对,每一对顺/逆时针的长官所带领的士兵都只会互相补充给彼此;后来每一对长官都分开了,随意移动,他们率领的士兵也不再只给彼此,而是送给所有其他人,这样拓扑结构发生了改变,从而产生了相变。不过,与水不同,BKT相变描述的是二维的物质。(见图2)

图2


编辑 李珩丹