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职业生涯规划书结束语用中学生能看懂的语言讲2016诺贝尔物理奖:拓扑相变与拓扑相

邵阳新闻网-邵阳本地新闻资讯 时间:2019年10月22日 10:01

2016年10月,诺贝尔物理学奖授予 David J. Thouless、 F. Duncan M. Haldane 和 J.Michael Kosterlitz ,以表彰他们对“物质的拓扑相变和拓扑相的理论发现”。今天的文章是对这届诺奖的一个回顾。

撰文 | 满威宁(加州州立大学旧金山分校物理与天文系终身教授)

受邀写一篇希望家长看后可以用来给孩子讲解的(或中学生能勉强看懂的)关于今年诺贝尔物理学奖的介绍,这真不是一件容易的事。拓扑相变实在比细胞自噬体等要抽象复杂得多,很多人直呼“好几个号称说人话的版本还是看不懂。”那么请试试这篇,让我们一点一点来了解它。相信你看完能对这个特别抽象深奥的领域多一层理解,对基础科学多一层好奇和敬佩。

今年的诺贝尔物理学奖被授予美国华盛顿大学的索利斯(David J. Thouless)、普林斯顿大学的霍尔丹(F. Duncan M. Haldane)和布朗大学的科斯特利兹(J. Michael Kosterlitz),以表彰他们的“理论研究发现了物质的拓扑相变和拓扑相。”诺贝尔奖官网说:“他们打开了通往奇异状态物质这一未知世界的大门。他们用高等数学方法研究不寻常的相、态、物质,比如超导体、超流体或薄磁膜。得益于他们的先驱性工作,对新型反常相物质的猎寻(hunt)开展起来了。很多人认为它们未来有望在材料科学和电子学上得以应用。”

首先,什么是相变?

众所周知,纯水可以有冰、水、水蒸气三种状态,也就是固体液体气体三种相。融化沸腾结霜等都是相变。值得注意的是,相变意味着存在不连续的跃变。比如说固相和液相之间并没有中间状态。你可以把冰和水混合在一起,但在冰水混合物(包括碎冰沙饮品)里,固相液相仍是分离的(phase separation),不像酒精和水溶液成为融合的单相。小朋友可能会好奇那软白甜的冰激凌,难道不是水在固液两相之间的中间相?注意,冰激凌不是水,是混合了蛋白质、脂肪、冰晶、糖、液态水以及气泡的典型软凝聚态——凝聚态物理的另一个重要分支。

在不同的相里,分子原子整体遵循不同的规律做运动。比如,在固态晶体里,分子排成一个固定的点阵,像是操练立体方阵的士兵。在液态下,晶格瓦解,分子们却还紧挨着,所以保持有限的体积,但有了流动性,失去了固定的形状。等到了气态,分子们各奔东西,不仅没了固定形状,体积也会充满所在容器的整个空间。除了固液气相,物质还可能有很多其他复杂的相,呈现出不寻常的特征,比如超导和超流,后面会解释。

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  简介描述:2016年10月,诺贝尔物理学奖授予 David J. Thouless、 F. Duncan M. Haldane 和 J.Michael Kosterlitz ,以表彰他们对“物质的拓扑相变和拓扑相的理论发现”。今天的文章是对这届诺奖的一个回顾。撰文...
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