继诺贝尔生理学或医学奖揭晓之后，2016年诺贝尔物理学奖也于北京时间10月4日下午摘开面纱，大卫·索雷思、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特里兹三位科学家共享这一奖项，其中索雷思获得奖金总额的一半，霍尔丹和科斯特里兹共获奖金另一半。值得一提的是，这三位科学家均出生于英国，后来又都供职于美国知名高校。
对很多科学的门外汉来说，物理学的诺贝尔奖获得者，可能是他们所知道的科学家里，最耳熟能详的一批人：阿尔伯特·爱因斯坦、尼尔斯·玻尔、马克斯·普朗克、居里夫人、伦琴、薛定谔、海森堡，等等。不过获得物理学诺奖的成果，也可能是人们最费解的，至少比起生理学医学和人类健康息息相关的研究，物理学领域的名字听上去就十分拗口、“不明觉厉”。
以今天获得诺奖的物理研究为例——拓扑相变，看到这四个字，就可能让很多非科学人士停下阅读的脚步。根据诺奖官网的说法，之所以把奖项颁给这三位科学家，是为了表彰他们在理论上发现了拓扑相变和物质的拓扑阶段。那么，究竟是什么拓扑相变，这项研究对人类的生活意味着什么，中国在这方面的研究又如何？中国青年报·中青在线记者采访中科院物理研究所研究员翁红明，对此进行解读。
他们的发现“打开了一个未知世界的大门”
来自诺奖官网的消息称，这三位2016年诺贝尔物理学奖获得者“打开了一个未知世界的大门”，在那个世界里，物质呈现奇怪的状态。这三位获奖者用一些高等数学方法研究物质的不寻常阶段或状态，如超导体、超流体或薄磁膜，在他们的研究下，人类对物质的探索才进入了一个新的阶段。
“这是一项十分具有开创性的工作。”翁红明如此评价这项研究，他告诉记者，如今十分热门的拓扑绝缘体、拓扑半金属等研究方向，都是在这项研究的基础上才得以开展。
正如诺奖官网所说，此刻，许多研究人员正在慢慢解释奇异世界里物质的秘密，而这个奇异世界，是由今天的三位诺贝尔物理学奖获得者发现的。
今天公布诺奖的发布会，现场连线了邓肯·霍尔丹，当得知这消息时，他表示“非常吃惊”，也感到“非常自豪”。当被问到这项工作对现实生活有什么用时，霍尔丹表示，在过去十年里，这一领域的研究促进了凝聚态物理研究的前沿发展，人们不仅仅对拓扑材料能够在新一代电子器件和超导体中产生应用抱有希望，而且看好其在未来量子计算机方面的应用。
翁红明给出了更进一步地解释，他告诉记者，一旦这项研究再往前发展，就可能实现低能耗的电子传输,有望解决当前电子器件小型化和多功能化所面临的能耗问题，这也将给未来的计算机发展带来翻天覆地的变化。
看不懂时拆开来念：“拓扑”“相”“变”
那么这项研究，也就是所谓的“拓扑相变”究竟是什么？可以把这个词拆开来看，拓扑、相变，而相变还可以拆为“相”和“变”。“相”通俗地说可以理解为物质的形态，比如固态，液态，气态，“变”是指变化，“相变”就是物质形态的变化，比如冰融化成水，就是发生了相变。
在科学界，主流的观点一度认为，对于很薄的物质，分子的随机运动会让它陷入无序之中，即不会存在“相变”。但在1970年代早期，迈克尔·科斯特里兹和大卫·索雷思推翻了这一观点，他们认为，在温度足够低的条件下，很薄的物质也是会发生“相变”的。
他们将自己证明的“相变”，称之为“拓扑相变”，因为这用到了拓扑学来描述。正如诺奖官网所说，三位获奖者将拓扑学概念应用到物理学，这给他们后来的发现起到了决定性作用。
拓扑是一个数学上的名词，它研究的是那些“不连续”的特征，这并不容易理解。在今天公布诺奖的发布会上，诺奖官方的工作人员还举起了几块面包——没有洞的肉桂卷、一个洞的面包圈和两个洞的碱水面，充当科普工具，来解释究竟什么是“拓扑”——在拓扑上，这几种结构是完全不一样的，即洞的数量不同。
在1980年代，索雷思提出用tknn数来标识整数量子霍尔效应，即在一个非常薄的电导层中出现精确的整数霍尔电导的现象，他证明了这些整数在本质上是具备拓扑性质，且直接对应观测到的整数量子电导。
如今，人们已经知道拓扑相有很多种，它们不仅存在于薄层和线状物，还存在于普通的三维材料中，这就是所谓的新的奇异的世界。
“天才级的”：数学不好的物理学家不是诺奖得主？
今天接受媒体记者群访的邓肯·霍尔丹，恰巧是翁红明比较熟悉的一位，翁红明形容他是一位“非常聪明的”、“天才级的”理论物理学家，做了很多开创性的工作，而且霍尔丹的数学非常好。
这是一个在物理学领域较为常见的细节——数学好，以中国人所熟知的诺奖获得者杨振宁为例，就是一位颇具有数学天赋的物理学家，他也曾公开表示，他一生物理工作中都带有清简美妙的数学风格。
翁红明说，物理学家尤其是理论物理学家，的确需要比较深厚的数学功底，这一点，从牛顿把现代物理学的开山之作，命名为《自然哲学的数学原理》就可以看出来。毕竟数学是最基础的自然科学，对构建理论十分必要。
霍尔丹在媒体群访时还提到，他之所以走上拓扑相变这条路，最初的契机是为了“证明另一个理论是错的”。这样的说法吸引了不少媒体的关注，不过在自然科学领域，挑战已知“权威”的成功案例并不少见。
在翁红明看来，一个研究人员，如果没有挑战现有理论的勇气，他的研究很可能构不成一个开拓性的发现，“毕竟不破，不立”。
中国在拓扑研究领域处在前沿位置
令人欣喜的是，在物理学领域，尤其是拓扑研究领域，中国的表现并不落后。在翁红明看来，就是说中国物理学界在国际拓扑领域处于前沿位置、走在最前面，也并不为过。
就在去年，翁红明所在的中科院物理所方忠、戴希研究团队，就成功在TaAs晶体中发现了外尔费米子，这是这类特殊的电子第一次展现在科学家面前。这一研究入选了英国物理学会主办的《物理世界》(Physics World)公布“2015年十大突破”，同时也被美国物理学会的《物理》评为2015年八大亮点工作之一。
外尔费米子，就是拓扑半金属研究方向的一个重要课题。
在此之前的2013年，我国科研团队独立实现“量子反常霍尔效应”，也是拓扑研究领域的一个重要延伸课题。1988年，邓肯·霍尔丹——就是今天的诺奖获得者，他提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，但是多年来一直未能找到实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。
在2010年，我国的科研单位率先在该领域取得突破。中科院物理所方忠、戴希研究团队与斯坦福大学张首晟团队合作，从理论与材料设计上取得了突破，被《科学》杂志称作“实现量子反常霍尔效应的最佳体系”。2013年，这两个单位的研究人员和清华大学的团队，又在极低温输运测量装置上观测到了“量子反常霍尔效应”，至此完成了“量子反常霍尔效应”的实现，其研究结果于3月14日在线发表于美国《科学》杂志。
同一年的4月19日，两家单位召开新闻发布会公布这项成果，当时，杨振宁毫不犹豫地将这一成果称为“这是第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文”。
这项研究叫“量子霍尔效应”。在那以前，发现“整数量子霍尔效应”与“分数量子霍尔效应”的科学家分别获得1985年和1998年诺贝尔物理学奖。而整个“量子霍尔效应”家族里，至此仍未被发现的成员就是“量子反常霍尔效应”，也被认为是有望冲击诺贝尔奖的一个研究。
文字：邱晨辉
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本期科学顾问：中科院物理研究所研究员翁红明。
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