今天诺奖与张首晟擦肩而过了吗？

►斯坦福大学教授张首晟

编者按：

斯坦福大学教授张首晟十年前对拓扑绝缘体做出了重大贡献，今年诺奖得主中曾有人与张首晟共同获得其他物理奖项，原因是表彰他们在这方面的工作。张首晟没有获得今天的诺贝尔物理奖，或将在华人物理学界引起热烈讨论。

撰文 | 知识分子

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►2016年诺贝尔生理或医学奖获得者David Thouless（1/2）、Duncan Haldane（1/4） and Michael Kosterlitz（1/4）

10月4日，“诺贝尔奖周”迎来了第二天，诺贝尔物理学奖公布其获奖名单，戴维·索利斯（David J. Thouless）、邓肯·霍尔丹（F. Duncan M. Haldane）和迈克尔·科斯特利兹（J. Michael Kosterlitz）获诺贝尔物理学奖。

其获奖理由为“在拓扑相变以及拓扑材料方面的理论发现”。

“这是一次伟大的颁奖。Kosterlitz - Thouless相变是拓扑里面一个经典的案例，它影响了物理学中拓扑领域的发展进程，霍尔丹在这一领域的贡献与二人相当。我由衷地为索利斯获奖而感到高兴，他是一位理论物理学领域的伟大学者。” 《自然·物理》（Nature Physics）编辑Andrea Taroni 在接受《卫报》采访时说。

什么是拓扑？

作为今年得奖工作的核心，拓扑解释了为什么薄层内的电导率会以整数倍变化。科斯特利兹和索利斯研究了薄层（物理学家称之为二维材料）表面以及内部的电行为。霍尔丹研究了构成因为太纤细而视为一维的线状物的物质。

►诺贝尔物理委员会成员用肉桂面包（cinnamon bun，没有洞）、百吉圈（bagel，一个洞）和扭结面包（pretzel，两个洞）来解释拓扑

什么是相变？

相变反映了物质性质的突然变化，比如气温变化造成的冰、水和水蒸汽的过程。然而，类似于传统的固体、液体以及气体三种状态，索利斯、霍尔丹和科斯特利兹(以及其他科学家) 向我们展示了材料在电性质上也会发生突然的转变。这可以通过随着温度的下降电阻的突然减小而被证明。拓扑相变最初被发现于有着薄层的物质，或者构成线状物的物质，但是现在的科学家发现这种“奇异”的电性质可以在很多种材料中被发现。

►当物质在两种状态之间转换的时候，就发生相变，比如冰融化为水

►物质最常见的是气体，液体与固体三态。猜想，在极高或极低的温度下，物质还有更多状态

诺奖官网：三人工作揭示了奇异物质的奥秘

►三位获奖人。左起：戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利兹

“他们使用先进的数学方法来研究物质不同寻常的物相或状态，如超导体、超流体或磁性薄膜。”诺奖官网称，三位获奖人开启了通往奇异物质状态研究的未知世界的大门。而在三人的开创性工作之后，人们现在致力于寻找新奇的物象，很多人对其将来在材料学和电子方面的应用充满希望。

三位获奖人将拓扑概念应用于物理学是其成果的关键。拓扑学是数学的一个分支，它描述的特性只会阶越式地改变。将拓扑学作为一种工具，他们做出了颠覆性的发现。20世纪70年代初，当时的主流观点认为超导或超流不可能在薄层中发生，而迈克尔·科斯特利兹和戴维·索利斯推翻了它。他们证明了超导能在低温条件下发生，并阐明了其中的机制：相变使得超导现象在高温条件下消失。

20世纪80年代，索利斯解释了之前的一个实验，即在非常薄的导电层中精确测量到的电导的整数台阶（integer steps）。他指出，这些整数来源于它们的拓扑本质。大约在同一时间，邓肯·霍尔丹发现了拓扑的概念可以用来理解一些材料中发现小磁链的特性。

我们现在已经知道了很多的拓扑相，不仅局限在层状材料或线状材料之中，而且存在于普通的三维材料中。在过去的十年中，这一领域大大鼓舞了凝聚态物理前沿的研究，尤其因为拓扑材料在新一代的电子学和超导体，甚至是未来的量子计算机中的应用前景。目前的前沿研究也正在一步步揭开拓扑这个神奇领域的面纱。

三位在英国出生、美国工作的诺奖得主

有趣的是，这三位新晋诺贝尔物理学奖得主都出生在英国，本科在剑桥大学完成学业，现在都在美国工作。

戴维·索利斯1934年9月21日出生于苏格兰，曾于1952年在剑桥大学三一学院学习物理，后在康奈尔大学的Hans Bethe教授的指导下获得博士学位，后在英国的伯明翰大学任数学物理教授，1980年开始担任美国华盛顿大学物理学教授。

而邓肯·霍尔丹1951年9月14日出生于伦敦，在剑桥大学基督学院度过了他的学生生涯，现为普林斯顿大学尤金·希金斯（Eugene Higgins）教授。

作为生化学家Hans Walter Kosterlitz的儿子，科斯特利兹1942年出生于苏格兰，在剑桥大学冈维尔与凯斯学院获得了本科以及研究生学位，博士毕业于牛津大学，其后在伯明翰大学、康奈尔大学等机构做过博士后，现为布朗大学教授。

中国物理学家的解读

关于此次诺贝尔物理学奖，《知识分子》联系了国内几位在科研一线的物理学家，请他们解读此次物理学奖。

清华大学高等研究院研究员汪忠：三人获奖实至名归

拓扑物态目前是一个内容丰富而且蓬勃发展的领域，作为先驱者，索利斯, 霍尔丹, 科斯特利兹获奖是名至实归。

索利斯和他的合作者最早采用"陈数" 来理解量子霍尔效应（陈数是拓扑不变量的一个例子，"陈"指华人数学家陈省身），霍尔丹的量子反常霍尔效应模型则以简单巧妙的方式实现了非零陈数。值得一提的是，霍尔丹的这个模型在提出之后多年里没有得到足够关注，很多人认为它只是一个"理论玩具”。直到近些年，拓扑绝缘体在理论和实验上相继被发现后，霍尔丹的模型才终于在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中得到了实验证实（这个实验是清华大学和物理所的合作工作）。拓扑绝缘体和其他拓扑材料的研究可以说是这个领域的"文艺复兴"，

因此，在拓扑绝缘体的理论和实验方面做出开创性工作的Charles L. Kane, 张首晟，Laurens W. Molenkamp等人也是未来诺贝尔物理学奖的重要候选人。清华大学的薛其坤教授作为量子反常霍尔效应的实验证实者，未来也有获奖机会。

清华大学教授薛其坤：这一领域再获诺奖的可能性依然存在

薛其坤在接受《知识分子》采访时表示，三位物理学家作出了奠基性的理论工作，是对物质状态分类及其转变理论上的重大突破，获得诺贝尔奖实至名归。

戴维·索利斯的重要工作是首次从拓扑的视角对“整数量子霍尔效应”现象作出了深刻理解。1980年，德国科学家冯·克利青（Klaus von Klitzing）发现的“整数量子霍尔效应”，于1985年获得诺贝尔物理学奖。

薛其坤表示，在三位诺奖得主关于物质的拓扑相变和拓扑相的奠基性理论工作之后，这一领域因2005年包括华裔著名物理学家张首晟在内的科学家发现三维拓扑绝缘体材料，得以彻底发展起来了，使人们进一步认识到这一领域的重要性。

在拓扑绝缘体的突破性工作之后，中国科学家作出了很多重要工作，包括量子反常霍尔效应的实验发现和外尔半金属的发展，在拓扑材料的合成、基本性质表征以及物理效应的发现等方面，中国物理学家已经处于国际第一梯队。

对于在理论工作之外，这一领域的实验发现是否仍有可能获得诺贝尔奖？薛其坤表示很难预言，但他认为，正如主持人在介绍今年的诺奖工作时所说的，这一领域在拓扑量子计算，低能耗电子学方面应用前景巨大，有可能解决电子器件的发热问题，量子计算机的发展也因此成为可能。这一领域如果做出对人类有意义的工作，拿奖的可能性还是存在。

中科院物理所研究员翁红明：华人科学家张首晟也做出了重要贡献

根据我现在研究的方向来看，首先戴维·索利斯在1981年提出了我们现在熟知的整数拓扑不变量TKNN Number，也叫Chern Number，这也是第一个被提出用来标志整数量量子霍尔效应态的拓扑数，同时也是第一个根据Berry曲率公式定义TKNN number的科学家。

而霍尔丹则是第一个提出在晶格体系里面可以实现整数量子霍尔效应态而不需要外加强磁场的科学家。

可以说，今年获得诺贝尔奖的这三位科学家真正地开创了拓扑理论这个研究方向。当然，作为从事拓扑绝缘体方向的研究者，我很希望这个方向能受到大家的关注。此外，不仅是今天获奖的这三位科学家，其他科学家的工作值得赞扬，例如2005-2007年，Kane、Mele和张首晟三位开创了拓扑绝缘体方向，张首晟教授在这方向做出了极大的贡献：他是第一位理论预言并验证了量子自旋霍尔效应的科学家。

所以在未来，拓扑绝缘体如果能真正的将量子霍尔效应应用起来、真正能够实现它的功能的话，诺贝尔奖或者会再次花落到拓扑方向，张首晟教授或许也会获得诺贝尔奖。同理，薛其坤院士的工作也验证了科学家们寻找百年的物理效应，这都是诺奖级的工作。

复旦大学教授施郁：他们是凝聚态拓扑物态研究的鼻祖

实际上，这是我今年预测的方向。这三位科学家是拓扑绝缘体研究向前追溯的先驱，我当时预测没有拐个弯，没给他们先“颁”个奖，他们是凝聚态拓扑物态研究的鼻祖。

通常连续相变在两维情况下是没有的，但是索利斯和科斯特利兹发现可以有一种拓扑相变。索利斯与合作者还提出量子霍尔电导是拓扑数，即陈省身数。霍尔丹研究了一维磁体的拓朴性质，后来还做了拓扑绝缘体的前期工作，研究了一个模型，不是对应了一个实际的材料，但是这个模型里的物理后来在拓扑绝缘体中反应出来。这三位科学家在拓扑相前期的工作，打下了这个方向的基础。

索利斯是美国德克萨斯大学华人学者牛谦的导师，在索利斯的得奖工作中，有篇文章的合作者是牛谦和吴咏时。索利斯是英国剑桥人，他有一段时间读书和工作都是在英国，后来才转到美国。我在剑桥工作的时候曾因工作和他进行过比较深入的讨论，后来他回美国后还发邮件告诉我，他在飞机上对我的问题一路上思考了很多。

我以前预测过索利斯和科斯特利兹获得诺贝尔奖，但今年他没有在我的预测榜单里面，因为如果说太多，就谈不上预测了。但也可以说，我的预测对了一半，凝聚态里面的拓扑相，由于我的感觉他们的工作早该得而没得，所以当时没有预测他们获奖。

张首晟主要获奖经历

►2012年狄拉克奖。左起：查尔斯·凯恩、张首晟、邓肯·霍尔丹（今天的获奖者）

1992年，获全球华人物理学会“杰出青年科学家奖”。

2007年，获美国“古根海姆学者奖”。

2007年，张首晟领导的研究团队提出的"量子自旋霍尔效应"被《科学》杂志评为2007年"全球十大重要科学突破"之一。

2009年，入选国家“千人计划”。

2009年，获由德国亚历山大·洪堡基金会设立的“洪堡研究学者奖”。

2010年7月，获德国“古登堡研究奖”。

2010年9月，因在“量子自旋霍尔效应”理论预言和实验观测领域的开创性贡献，获欧洲物理学会颁发的“欧洲物理奖”，成为首位获得该奖项的华人科学家。

2011年9月，获香港求是科技基金会“求是杰出科学家奖”。

2012年，获美国物理学会颁发的凝聚态物理最高奖——奥利弗·巴克利奖。

2012年8月，获联合国教科文组织下属的国际理论物理学中心设立的国际理论物理学领域最高奖——“狄拉克奖”。

2013年3月，获“尤里基础物理学奖前沿奖”。

2014年11月3日，因在拓扑绝缘体研究领域的开创性贡献，与两位科学家Kane和Mele一起分享了2014年度“富兰克林物理奖”。

附诺奖官网科普版介绍：

平面物质世界的奇异现象

戴维·索利斯（David Thouless)，邓肯·霍尔丹（Duncan Haldane）和迈克尔·科斯特利兹（Michael Kosterlitz）用先进的数学方法去解释在不寻常物质的相（或态）中的奇异现象。这些物质有超导体，超流体，磁性薄膜等。科斯特里兹和索利斯研究了在平面或表面或超薄层等二维情形下的物理现象，而不是通常生活中的三维情形。霍尔丹研究的是物质在极度窄小、可认为是一维情况下的物理图景。

平面上的物理图景与我们所认知的生活中的物理图景非常不同。在平常，即使是非常分散的物质也包含了数以百万多的原子，而且即使每个原子的行为可以用量子物理解释，很多原子一起行动会导致完全不同的性质。在平面领域新的集体性现象正不停的被发掘出来，而且凝聚态物理是现今最为活跃的物理领域之一了。

三位得主的核心成就，是他们在物理学中引入了拓扑的概念。拓扑（Topology）原本是一个数学概念，描述的是几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的性质。他们利用现代拓扑学的工具，开创了新的物理学研究领域，并催生了众多新的重要的物理概念。

量子物理可以在低温下看到

说到底，一切物质都是受量子力学支配的。在气体，液体和固体等常见的物质的相中，量子效应常常因为原子的随机运动被隐藏起来。但是在极端低温接近绝对零度时（零下273摄氏度），物质又会呈现出奇异的相并表现出难以预料的性质。这时候突然就可以看到在微观世界中才会起作用的量子物理。

普通的物质的相会随着温度变化互相转化。比如冰由有序的晶体组成，当它被加热时就会发生相变成为水，一种更加无序的相。当仔细审视知之甚少的物质世界的平面国时，我们发现物质的相还没有被完全探索。

低温下会发生奇异的现象。比如所有粒子都遇到的阻力会突然消失，就像超导体中的电流没有电阻，以及超流中的涡旋会一直转动而不减速。

俄国人彼得·卡皮察（Pyotr Kapitsa）在20世纪30年代第一次对超导进行了系统的研究。他冷却空气中存在的氦4到零下271摄氏度，看到了氦爬上容器的侧壁。这意味着氦4成为了超流，粘滞阻力完全消失。卡皮察于1978年获得了诺贝尔奖，在此之后，实验室中制备出了一系列各种类型的超流。超流的氦、薄膜超导、磁性薄膜材料以及导电纳米丝是这些新的物质的相的代表，也是当下研究的热点内容。

涡旋对提供了解决方案

研究人员长期认为热涨落会破坏所有平面物质（二维世界）的序，即使在绝对零度。如果相没有了序，就不会有物相转变。早在20世纪70年代，戴维·索利斯和迈克尔·科斯特利兹在英国伯明翰相遇，他们向最终成为当前的理论发起挑战。他们共同提出了平面中物相转变的问题（前者超出了我们的好奇心，后者不可被忽略，他们各自声称）。这个合作导致了对物相转变全新的理解，这被认为是20世纪凝聚态物理理论最重要的发现之一。这叫做KT相变（科斯特利兹-索利斯相变）或BKT相变，B代表已故的来自莫斯科的理论物理学家Vadim Berezinskii，他持有类似的观点。

拓扑相变并不像冰与水那样属于正常的相变，在拓扑相变中起带头作用的是平面材料中小的涡旋。在低温下，它们紧紧连成一对。当温度升高时，相变就会发生：对中的涡旋迅速脱离彼此，在材料中独自航行。

该理论的奇妙之处在于其可用于不同类型的低维材料——KT相变是普遍适用的。这个理论开始成为一个非常有用的工具：它不仅被应用于凝聚态物理，还被用于像原子物理、统计力学等其他领域。KT相变背后的理论已在最初提出者和其他人的努力下逐步发展起来，并被实验验证。

神秘的量子跃迁

实验上的进展最终带来了一系列新的物质的状态，它们都需要理论解释。在二十世纪八十年代，戴维·索利斯和邓肯.霍尔丹两人都做出了新的开创性的理论工作。这些工作挑战了以前的理论，包括用量子力学去解释材料能导电。这些“老理论”一开始在30年代就得到发展，而在几十年后，这片物理领域就被认为已经完全弄懂了。

所以，当索利斯1983年证明了以前的物理图景不完备，并且证明了在低温强磁场的情况下，一类以拓扑观念为重的新理论是至关重要的，这是一个非常惊奇的时刻。几乎同时，邓肯.霍尔丹在对磁性原子链分析中也得到了类似的结论（两者类似到不可想象）。他们的工作对于随后急速发展的新物质状态理论意义非凡。

大卫.索利斯用拓扑学去理论解释的神秘现象就是量子霍尔效应。它在1980年由德国物理学家克劳斯·冯·克里钦（Klaus von Klitzing）发现，随后克里钦得到了1985年的诺贝尔奖。他研究的是当导电层电子被降温到只比绝对零度高几度并且在强磁场条件下，一层很薄的导电层夹在两块半导体中会有什么现象。

物理领域中，猛烈的变化在低温情况下不是不常见，像很多材料在低温下会变得有磁性。这现象发生的原因在于材料中所有微小的原子级磁极子都在低温下突然转向到同一方向，从而产生很强的磁场，使得可以被观测到。

然而，量子霍尔效应要更难以理解。导电层的电导趋向于只呈现特殊的数值，并且异常的精确。这精确程度在物理中十分罕见。对于不同温度，磁场强度或者半导体中杂质浓度，测量结果还是得出相同的精确数值。当磁场有足够大的变化时，导电层的电导也会有变化，但只是阶跃性变化。当磁场强度从很高逐渐降低时，导电层电导首先是翻到之前的两倍，然后到三倍、四倍、一直延续下去。那些整数化的台阶对于当时的物理界是无法理解的，但是索利斯用拓扑学找到了谜底。

拓扑学帮助揭秘

拓扑学描述了当一个物体被拉伸、扭曲或者变形，但还没有被拆分时还能保持完整的那些特性。在拓扑学上，一个球体和一个碗状物是属于同一个类别，比如球形的黏土块可以做成碗的形状。但是一个中间有孔的面包圈和把手上有一个洞的咖啡杯属于另一个类别，它们也可以被改造成彼此的形状。因此拓扑对象可以含有一个洞，或者两个，或者三个，或四个......但是这个数字必须是整数。这在后来描述量子霍尔效应中的电导时被发现很有用，因为每一步的变化都是整数。

►拓扑是数学的一个分支，解释了为什么纤薄表层内的电导率会以整数倍变化

在量子霍尔效应中，电子在半导体之间的层间相对自由地移动，并形成一种叫做拓扑量子流体的状态。当很多粒子聚集在一起时产生的新特性也有类似的属性，电子在拓扑量子流体中也展现出惊人的特性。就像你只看到一个咖啡杯的局部时你不能确定它上面是否有一个洞，如果只看到一部分的情况时是不可能确定电子是否形成了拓扑量子流体。但是，电导描述了电子的集体运动，因为拓扑学，它的每一步都有不同，是量子化的。拓扑量子流体的另一个特性是它的边界有不寻常的特性。这是由理论所预言，后来才被实验证实。

一个里程碑出现在1988年，当邓肯霍尔丹发现即使当不存在磁场时，拓扑量子流体也可以在半导体层间形成，就像在量子霍尔效应中那样。他说他从没有想过他的理论模型可以被实验所证实。但是最近在2014年，这个模型被使用冷却到几乎绝对零度的原子的实验验证了。

大量涌现的拓扑新材料

1982年之后的早期研究中，邓肯·霍尔丹的预测使该领域的专家大为震惊。在研究一些材料的磁原子链时，他发现链的属性因原子磁体的不同性质而迥然不同。量子物理学认为存在两种原子磁体，即单极磁体和偶极磁体。霍尔丹展示了偶极磁体组成的链具有拓扑结构，而单极磁体组成的链并没有。与拓扑量子流体类似，单纯研究链的一小部分并不能确定它是否具有拓扑结构。再者，如量子流体的边界态反应了其拓扑属性，这个边界态就相当于链的两端，因为量子的性质实际上是粒子在拓扑链两端自旋。

最初，没有人相信霍尔丹关于原子链的理论。科学家深信他们已经完全理解了原子。但是后来事实证明霍尔丹发现了一种新型的拓扑材料，这个领域后来成为凝聚态物理学的热点。

量子霍尔液体甚至磁性原子链都属于这种新的拓扑相。后来，科学家们发现了更多的拓扑相，它们不仅不仅存在于薄层（二维）和线状（一维）材料中，还存在于普通的三维材料中。现在人们经常谈论拓扑绝缘体、拓扑超导体和拓扑金属等。而这些都是在凝聚态物理在过去十年的研究前沿。他们之所广为人知，是因为这些拓扑材料将极大推动新一代电子材料和超导材料，以及量子计算机的发展。拓扑材料的研究不仅有极大的应用前景，更加深了我们对物质的奇异结构和状态的理解，而今年三位诺贝尔物理学奖得主的开创性工作奠定了我们的研究基础。

诺贝尔物理学奖简介

根据阿尔弗雷德·诺贝尔的遗嘱，诺贝尔物理学奖被授予“在物理学领域做出最重大发现或者发明的人”。诺贝尔物理学奖由瑞典皇家科学院从1901年开始负责颁发。

自奖项于1901年设立至今，诺贝尔物理学奖一共被授予了110次，获奖人次为204人次，今年，其中美国物理学家约翰·巴丁（John Bardeen）分别于1956年、1972年两次获奖，因此总获奖人数为203人。

物理学奖的奖章上有两位女神，左边是象征母性与生育之神伊西斯，右边则是正掀开伊西丝的面纱科学女神。在西方文化中，“掀开伊西斯的面纱”一词指代破解神秘现象。然而，在一百余年的诺贝尔奖历史中，物理学奖是女性得主最少的一个奖项，至今只有两位女性获奖。居里夫人由于对放射性的研究获诺和玛利亚·格佩特-梅耶（Maria Goeppert-Mayer）因提出原子核壳层模型而分别获1903年和1963年的诺贝尔物理奖。