【财新网】（记者 苑苏文）看起来同样的东西本质可能大不相同，比如经典和量子物理世界，而看起来截然不同的领域却能找到联系，比如物理和数学。
因为用数学中的拓扑理论描述奇妙的量子物理世界，大卫•邵勒思（David J. Thouless）、邓肯•霍尔丹（F. Duncan M. Haldane）和迈克尔•科斯特利兹（J. Michael Kosterlitz）被授予2016年诺贝尔物理学奖。
在1月20日达沃斯世界经济论坛“洞察力•新观念”的对话中，美国普林斯顿大学希金斯讲席教授邓肯•霍尔丹用“美丽”形容量子世界的拓扑相变理论。
拓扑本是几何学概念，描述的是几何图案或空间在连续改变形状后还能保持不变的性质。霍尔丹用桌子上的有手柄的咖啡杯和小面包圈举例说，由于咖啡杯柄和杯身之间构成了圆洞，而面包圈中间也有圆洞，从这个角度说，这两者具有同样的拓扑性质，面包圈也可以通过一系列形变，变成咖啡杯。
霍尔丹和其他两名获奖者，在上世纪70至80年代对超导体，超流体或薄磁膜的研究时，首次将拓扑学原理引入凝聚态物理学的基础理论。
上世纪70年代，迈克尔•科斯特利兹和大卫•邵勒思颠覆了人们都普遍认为超导态和超流体态不可能出现在薄层（二维）材料中的观念，不仅展示了超导态在低温下的可能性，同时还解释了超导态在温度升高时的消失机理和相变机制。
上世界80年代，大卫•邵勒思解释了先前实验中的遗留问题——薄层材料中测量所得的电导率都是精确的整数倍关系，他展示了这些整数倍电导率是这些材料天生的拓扑性质。几乎在同一时间，邓肯•霍尔丹发现，可以用拓扑概念理解一些材料中发现“小磁体链”现象。
此后霍尔丹提出的霍尔丹模型，为科学家寻找更加实用的拓扑量子材料铺平了道路。
他的设想被清华大学的薛其坤教授带领的团队用拓扑绝缘体验证了出来。“这证明我的想法在三维材料中也能奏效。很多过去没能精确观察的材料最终被确定为拓扑性质。”霍尔丹说。
不同于其他的复杂物理模型，霍尔丹模型十分简单，他甚至将其称为“玩具”。
如今，科学家寄望于通过对拓扑绝缘体的研究应用在电子芯片或量子计算机上面。“电子在芯片里的运动时，就像一辆辆跑车在集市里行驶，难免会摩擦碰撞，但拓扑绝缘体好似为电子建立了高速公路，让电子向同一个方向流动。”霍尔丹说。
不过，完全用拓扑材料制造出稳定的量子计算机，目前还只存在于理论中。但霍尔丹认为，随着越来越多科学家投身拓扑物质形态的研究，这一领域发展很快。“尤其是2007、2008年以来，很多拓扑材料逐渐被发现，很多在理论模型中被提出的想法也发现了实际案例。”
霍尔丹认为，好比“盲人摸象”，科学家们对局部的测量最终得以描述物质的全部。“数学具有简洁的美感。在追寻物理世界的真相的最后，看到了数学，并最终用数学理论来解释量子世界现象的美丽，这让科学家着实感到兴奋。”■
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