張雙南,，中國(guó)科學(xué)院高能物理所研究員,，中國(guó)科學(xué)院粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任

曾經(jīng)有記者問(wèn)我，目前最重要的物理學(xué)研究領(lǐng)域是什么,，我毫不猶豫地回答,，凝聚態(tài)物理，因?yàn)檫@個(gè)領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展空間和潛力巨大,，而且和材料等應(yīng)用問(wèn)題結(jié)合緊密,；這個(gè)獎(jiǎng)授給了一個(gè)重要研究領(lǐng)域的開創(chuàng)者,，說(shuō)明了諾獎(jiǎng)委員會(huì)極為重視開創(chuàng)性的研究，而不是跟蹤研究,；這個(gè)授獎(jiǎng)出乎了很多人的預(yù)料,，基本上是一個(gè)意外，而意外就是最大的不常見,，按照我的美學(xué)理論,，沒(méi)缺陷不常見才是美，所以我很滿意,，哈哈,！

向濤，中科院物理所研究員,，中國(guó)科學(xué)院院士

大家對(duì)這個(gè)獎(jiǎng)期待了很多,。Thouless和Kosterlitz發(fā)現(xiàn)的KT相變，是第一個(gè)拓?fù)湎嘧?，他們?duì)量子霍爾效應(yīng)的研究也做出過(guò)巨大的貢獻(xiàn),。Haldane也在上個(gè)世紀(jì)80年代做過(guò)一個(gè)以他的名字命名的非常有名的猜想，他在同時(shí)期發(fā)表的一項(xiàng)關(guān)于拓?fù)浣^緣體的研究起到了決定性的奠基作用,。

韓濤,，匹斯堡大學(xué)物理天文學(xué)教授

這個(gè)獎(jiǎng)對(duì)我來(lái)講有點(diǎn)出乎意料，主要是因?yàn)檫@不是我的領(lǐng)域,，有點(diǎn)孤陋寡聞,。剛聽到覺(jué)得確實(shí)覺(jué)得很有意思很重要。尤其是聽到廣銘和施郁兩位老師的介紹,，這方面的研究越來(lái)越重要，很可能我們國(guó)內(nèi)很多科研工作者,，尤其是張首晟和薛其坤教授的工作,，很可能也會(huì)很快表現(xiàn)出他們的重要性。希望他們的工作也獲得諾獎(jiǎng),！

陳剛,，中國(guó)科學(xué)院高能物理所副所長(zhǎng)

我一點(diǎn)都不懂凝聚態(tài)物理。但是從今年的諾獎(jiǎng)來(lái)看,，一個(gè)40多年前的研究成果今天仍然能獲獎(jiǎng),，說(shuō)明基礎(chǔ)研究的前沿和開創(chuàng)性的重要性。因此科學(xué)研究應(yīng)該大處著眼,，小處求證,。我們國(guó)家在科研基礎(chǔ)、人才儲(chǔ)備,、經(jīng)濟(jì)條件都已經(jīng)可以做出前沿和開創(chuàng)新的工作的時(shí)候了,。

另外,，說(shuō)實(shí)話，我對(duì)具體誰(shuí)得獎(jiǎng)并不十分在意,。我關(guān)心的是我們國(guó)家如何做好科研的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃,。真正靜下心來(lái)，認(rèn)真做好基礎(chǔ)研究,。諾獎(jiǎng)不是目標(biāo),，科學(xué)研究的基礎(chǔ)打好了，諾獎(jiǎng)就水到渠成,。這不是我一人的想法,，絕大部分科學(xué)家都是這樣的想的。只是現(xiàn)在有的風(fēng)氣不太好,，急于求成,。

李淼，中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長(zhǎng)

凝聚態(tài)里基礎(chǔ)性的工作,，值得頒獎(jiǎng),。

顏丙海 博士，德國(guó)德累斯頓馬克斯普朗克研究所

這個(gè)獎(jiǎng)給了三個(gè)在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域做出開創(chuàng)性貢獻(xiàn)的理論大師,。他們第一次把拓?fù)湟氲搅宋锢韺W(xué)中,。國(guó)內(nèi)最出名的研究就是薛其坤老師的量子反常霍爾效應(yīng),。剛才評(píng)委提到了Haldane在1988年做的一項(xiàng)理論工作,。薛老師的實(shí)驗(yàn)正是實(shí)現(xiàn)了這個(gè)理論預(yù)言。張守晟老師的工作在國(guó)際上也非常有名,，他發(fā)現(xiàn)的拓?fù)浣^緣體,，作為一個(gè)更新的拓?fù)鋺B(tài)，也是下一個(gè)諾獎(jiǎng)的熱門,。

胡自翔,，重慶大學(xué)物理學(xué)院，百人計(jì)劃特聘研究員

拓?fù)湫蛞肽蹜B(tài)物理,，實(shí)至名歸,。我們一直以來(lái)都認(rèn)為他們能拿。沒(méi)有他們的先驅(qū)工作,，就沒(méi)有后來(lái)的拓?fù)浣^緣體,、反常量子霍爾效應(yīng)等，至少不會(huì)這么重視,。Haldane教授的導(dǎo)師Anderson教授是凝聚態(tài)物理的泰斗級(jí)人物,，他評(píng)價(jià)Haldane是他最優(yōu)秀的學(xué)生。

做拓?fù)湎嚓P(guān)的方向很多：反常量子霍爾效應(yīng),、拓?fù)浣^緣體,、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng),，包括現(xiàn)在比較熱門的外爾半金屬都與它相關(guān)。清華,、北大,、中科院都有一大批人在研究拓?fù)湮镔|(zhì)和相變。

以上熱評(píng)來(lái)自科學(xué)人線上沙龍諾獎(jiǎng)直播間,，文末掃描直達(dá)直播間,。

戴維·索利斯，鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨使用了先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法來(lái)解釋異乎尋常的物質(zhì)狀態(tài)——比如超導(dǎo)體,、超流體或者薄層磁性物質(zhì)——中的奇特屬性,。科斯特利茨和索利斯研究了平面世界的現(xiàn)象,，也就是在物體表面或者很薄層的物質(zhì)上所發(fā)生的事情,，它們可以被認(rèn)為是二維的世界，和日常描述的三維世界不同,?；魻柕み€研究了細(xì)絲狀的物質(zhì)，它們可以被認(rèn)為是一維的,。

平面世界的物理學(xué)和我們?nèi)粘Ｋ惺艿奈锢韺W(xué)很不相同,。雖然很薄層的物質(zhì)依然有數(shù)百萬(wàn)的原子組成，雖然每個(gè)單一原子的獨(dú)立行為都能用量子物理學(xué)完全解釋,，但是當(dāng)很多原子聚在一起時(shí),，它們就會(huì)表現(xiàn)出截然不同的屬性。平面世界里還在不斷發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象,，而研究它的凝聚態(tài)物理現(xiàn)在是物理學(xué)中最活躍的領(lǐng)域之一,。

2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。戴維·索利斯（左）,，1934年生于英國(guó)貝爾斯丹,。1958年獲美國(guó)紐約州伊薩卡的康奈爾大學(xué)博士學(xué)位。現(xiàn)為美國(guó)西雅圖的華盛頓大學(xué)名譽(yù)教授,；鄧肯·霍爾丹（中），1956年生于英國(guó)倫敦,，1978年獲英國(guó)劍橋大學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)為美國(guó)新澤西普林斯頓大學(xué)的尤金希金斯物理學(xué)教授；邁克爾·科斯特利茲（右）,，1942年生于英國(guó)阿伯丁,。1969年獲英國(guó)牛津大學(xué)博士學(xué)位。現(xiàn)就職于美國(guó)羅德島州普羅維登斯的布朗大學(xué),，任哈里森·方斯沃斯物理學(xué)教授,。圖片來(lái)源：Nobel Media 2016

三位諾獎(jiǎng)得主使用的拓?fù)鋵W(xué)概念,，對(duì)他們的發(fā)現(xiàn)起到了決定性作用。拓?fù)鋵W(xué)是一個(gè)數(shù)學(xué)分支,，研究的是物質(zhì)在連續(xù)變化時(shí),，不連續(xù)變化的屬性。使用現(xiàn)代拓?fù)鋵W(xué)作為工具,，今年的三位諾獎(jiǎng)得主發(fā)現(xiàn)了令人驚訝的結(jié)果,，開創(chuàng)了許多新的研究方向，使研究者在物理學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域里創(chuàng)造出了全新的重要概念,。

所有物質(zhì)本質(zhì)上都遵從量子物理學(xué)定律。氣體,、液體和固體是物質(zhì)的常見相,，它們的量子效應(yīng)過(guò)于微弱，往往被原子劇烈的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所掩蓋,。但是在極端低溫的條件下,，接近絕對(duì)零度（-273℃）的物質(zhì)展會(huì)現(xiàn)出奇異的新相態(tài)，并展現(xiàn)出著出乎意料的行為,。只在微觀世界中生效的量子物理學(xué),，在這種條件下突然變得可見了。

當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí),，物質(zhì)的常見相態(tài)會(huì)從一個(gè)變到另一個(gè),，比如排列整齊的晶體冰受熱后會(huì)變成更混亂的液態(tài)水。在對(duì)物質(zhì)那不為人知的平面世界進(jìn)行研究時(shí),，我們發(fā)現(xiàn)了還尚未被完全探索的相態(tài),。

物質(zhì)的相。圖片來(lái)源：nobelprize.org

低溫中會(huì)有一些奇怪的事情發(fā)生,。比如,，所有運(yùn)動(dòng)粒子本應(yīng)遭遇的阻抗突然消失了。在超導(dǎo)體中的電流不受阻礙就是因?yàn)檫@種情況,，超流體中的渦旋之所以能不減速地一直轉(zhuǎn)動(dòng)也是如此,。

20世紀(jì)30年代，俄羅斯人彼得·列昂尼多維奇·卡皮察（Pyotr Kapitsa）首先對(duì)超流體進(jìn)行了系統(tǒng)研究,。他將空氣中的氦-4冷卻到-271℃,，使其爬上了容器的側(cè)壁。換句話說(shuō),，在粘性完全消失的情況下,，這些氮表現(xiàn)了出超流體的奇異行為。卡皮察獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),，從那時(shí)起,，人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了好幾種不同的超流體。諸如超流體氦,、超導(dǎo)體薄膜,、磁性材料薄膜和導(dǎo)電納米線等材料相態(tài)現(xiàn)在都有了大量的研究。

研究人員長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為,，在一個(gè)平坦的二維世界里,，熱波動(dòng)會(huì)摧毀物質(zhì)的一切秩序，即使在絕對(duì)零度附近的時(shí)候也一樣,。如果沒(méi)有“有序的相”,，就不會(huì)產(chǎn)生任何的相變。但在20世紀(jì)70年代初,，戴維·索利斯（David Thouless）和邁克爾·科斯特利茨（Michael Kosterlitz）在英國(guó)伯明翰相識(shí),，他們挑戰(zhàn)了當(dāng)時(shí)的這一理論。他們共同攻克在二維面上的相變問(wèn)題（他們自己聲稱,，索利斯是出于“好奇”,，而科斯特利茨則是出于“無(wú)知”）。這一合作革新了人們對(duì)相變的認(rèn)識(shí),，是二十世紀(jì)的凝聚態(tài)物理理論最重要的發(fā)現(xiàn)之一,。這就是所謂的KT相變（科斯特利茨-索利斯相變）或BKT相變，其中B是瓦迪姆·別列津斯基（Vadim Berezinskii）——這位來(lái)自莫斯科的已故理論物理學(xué)家也曾提出類似的想法,。

拓?fù)湎嘧儾皇潜兂伤@樣一個(gè)普通的相變,。在拓?fù)湎嘧冎校鹬鲗?dǎo)作用的是極扁平的材料中的小渦旋,。在低溫下,，它們會(huì)形成聯(lián)系緊密的渦旋對(duì)。當(dāng)溫度升高時(shí),，相變會(huì)發(fā)生：渦旋突然離開彼此,，并各自在材料中漸行漸遠(yuǎn)。

相變,。這一刻發(fā)生在物質(zhì)從一個(gè)相到另一個(gè)相的過(guò)渡階段（比如冰熔化成水）,。使用拓?fù)洌扑固乩暮退骼姑枋隽艘粋€(gè)超低溫下的,、薄薄的一層物質(zhì)上發(fā)生的拓?fù)湎嘧?。在這種極端的寒冷下，渦旋對(duì)形成,，然后在達(dá)到相變溫度時(shí)，突然分開。這是在凝聚態(tài)物理二十世紀(jì)最重要的發(fā)現(xiàn)之一,。圖片來(lái)源：nobelprize.org

這個(gè)理論的精彩之處在于,，它可應(yīng)用于低維度的不同類型的材料——KT相變是普遍的。它已成為一個(gè)有用的工具,，不僅在凝聚態(tài)的物理世界,，而且在物理學(xué)的其他領(lǐng)域，如原子物理和統(tǒng)計(jì)力學(xué)中也有應(yīng)用,。KT相變?cè)谄浒l(fā)現(xiàn)者和其他人的努力下有所發(fā)展,，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得以證實(shí)。

實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的進(jìn)展最終帶來(lái)了大量需要解釋的新物態(tài),。20世紀(jì)80年代,，戴維·索利斯和鄧肯·霍爾丹（Duncan Haldane）都提出了突破性的全新理論研究，對(duì)先前的理論發(fā)起了挑戰(zhàn)——其中之一便是判定材料能否導(dǎo)電的量子力學(xué)理論,。這一理論最初是在20世紀(jì)30年代發(fā)展起來(lái)的,，而在幾十年后，人們普遍認(rèn)為物理學(xué)的這一領(lǐng)域已經(jīng)被了解得相當(dāng)透徹了,。

正是因?yàn)槿绱?，戴維·索利斯在1983年所作的研究才會(huì)帶來(lái)極大的震驚。他當(dāng)時(shí)證明了此前的物理圖景并不完整,，在低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)下,。需要用到一類全新理論，而拓?fù)涓拍钤谄渲兄陵P(guān)重要,。大約同時(shí),，鄧肯·霍爾丹在分析磁性原子鏈時(shí)，也得出了一個(gè)類似并且同樣出乎意料的結(jié)論,。他們的工作在隨后關(guān)于新物態(tài)的理論的蓬勃發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了重要作用,。

戴維·索利斯利用拓?fù)鋵W(xué)在理論上描述的那種神秘現(xiàn)象，就是量子霍爾效應(yīng),。這種現(xiàn)象在1980年被德國(guó)物理學(xué)家克勞斯·馮·克利青（Klaus von Klitzing）發(fā)現(xiàn),，后者在1985年因此被授予諾貝爾獎(jiǎng)。他研究一個(gè)介于兩層半導(dǎo)體之間的導(dǎo)電層,，其中的電子被冷卻到只比絕對(duì)零度高出幾度,，還被置于一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)中。

在物理學(xué)中,，隨著溫度的降低,，急劇變化的事情時(shí)有發(fā)生。舉例來(lái)說(shuō),，許多材料會(huì)變得帶有磁性,。之所以如此,，是因?yàn)椴牧现兴械男⌒≡哟盆F突然間都指向了同一個(gè)方向，從而產(chǎn)生了一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng),，能夠被測(cè)量到,。

然而，量子霍爾效應(yīng)更難以理解,。在特定條件下,，單層物質(zhì)中的電導(dǎo)率似乎只能取特定的數(shù)值，而且極為精確,，這在物理學(xué)中是不太常見的,。就算溫度、磁場(chǎng),，或者半導(dǎo)體中雜質(zhì)的含量發(fā)生變化,，測(cè)量也會(huì)精確給出同樣的結(jié)果。當(dāng)磁場(chǎng)發(fā)生足夠大變化時(shí),，單層物質(zhì)的電導(dǎo)率也會(huì)改變,，但只會(huì)一步一步跳變：減弱磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致電導(dǎo)率先是精確變成原先的2倍，然后3倍,，4倍,，以此類推。這些整數(shù)級(jí)跳變用當(dāng)時(shí)已知的物理學(xué)無(wú)法解釋,，但戴維·索利斯發(fā)現(xiàn)利用拓?fù)鋵W(xué)可以破解這一難題,。

拓?fù)湮锢硌芯课镔|(zhì)被拉伸、扭轉(zhuǎn)或發(fā)生形變而未斷裂時(shí)有哪些性質(zhì)仍然保持不變,。從拓?fù)鋵W(xué)上來(lái)說(shuō),，球體和碗可以被歸為同一類，因?yàn)橐粓F(tuán)球形的粘土可以被捏成一個(gè)碗,。然而,，面包圈中間和咖啡杯把手處都有一個(gè)洞，它們屬于另一類型,；它們也可以通過(guò)連續(xù)形變,，變成對(duì)方的形狀。因此,，拓?fù)湮矬w可以包含一個(gè)洞,，兩個(gè)洞，或者三四個(gè)洞……但這個(gè)數(shù)字必須是整數(shù),。因此,，在發(fā)生量子霍爾效應(yīng)時(shí)，電導(dǎo)率總是以整數(shù)倍發(fā)生變化,，不難想象這可能與拓?fù)鋵W(xué)有關(guān),。

拓?fù)鋵W(xué)是數(shù)學(xué)中的一個(gè)分支,，研究階梯式變化的性質(zhì)，比如以上物體的洞的數(shù)量,。拓?fù)鋵W(xué)是三位得獎(jiǎng)?wù)吣茏龀鲞@一成就的關(guān)鍵,，它解釋了為什么薄層物質(zhì)的的導(dǎo)電率會(huì)以整數(shù)倍發(fā)生變化。圖片來(lái)源：nobelprize.org

在量子霍爾效應(yīng)中,，兩層半導(dǎo)體中間的電子運(yùn)動(dòng)得相對(duì)自由，它們形成了一種叫拓?fù)淞孔恿黧w的東西,。許多粒子在大量聚集的時(shí)候常常會(huì)表現(xiàn)出新的性質(zhì),，拓?fù)淞孔恿黧w中的電子也不例外，它們具備許多驚人的性質(zhì),。然而,，正如我們不能通過(guò)觀察咖啡杯的一小部分來(lái)判斷杯子上是否有洞一樣，如果僅僅觀察一部分電子,，無(wú)法判斷電子是否形成了拓?fù)淞孔恿黧w,。但是，導(dǎo)電率能夠反映電子的集體運(yùn)動(dòng)情況,，并且,，由于拓?fù)鋵W(xué)的存在，它是分步進(jìn)行的,，也就是說(shuō)它是量子化的,。拓?fù)淞孔恿黧w還有一個(gè)特征，就是它的邊界具備一些不平常的性質(zhì),。這些都能通過(guò)理論進(jìn)行預(yù)測(cè),，并且都在后來(lái)的實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)。

另一項(xiàng)里程碑事件發(fā)生在1988年,。鄧肯·霍爾丹（Duncan Haldane）發(fā)現(xiàn),，即使是在沒(méi)有磁場(chǎng)的條件下，拓?fù)淞孔恿黧w（比如量子霍爾效應(yīng)中出現(xiàn)的那種）也能在薄薄的半導(dǎo)體層中形成,。他說(shuō)他從未夢(mèng)想自己的理論模型能被實(shí)驗(yàn)證實(shí),，但最近，就在2014年,，一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)將原子冷卻至接近絕對(duì)零度,，證實(shí)了這個(gè)模型。

在此之前的1982年,，鄧肯·霍爾丹做出了令領(lǐng)域內(nèi)專家都大為驚訝的預(yù)測(cè),。他對(duì)某些材料中會(huì)出現(xiàn)的磁原子鏈進(jìn)行了理論研究，發(fā)現(xiàn)這些磁原子鏈的屬性依其原子特征不同而有天翻地覆的變化,。量子物理中有兩種原子磁鐵,，一奇一偶,。霍爾丹計(jì)算出,，如果一串偶磁鐵排成排,，得到的原子串具有某些拓?fù)湫再|(zhì)；但奇磁鐵就沒(méi)有,。和拓?fù)淞孔恿黧w一樣的是,，它也不能從部分原子的特征看出來(lái)，需要看整體才能知道它有沒(méi)有拓?fù)湫?。也和拓?fù)淞孔恿黧w一樣的是,，它的拓?fù)鋵傩栽谖矬w的邊緣才表現(xiàn)出來(lái)。在這里,，是磁原子鏈的末端：因?yàn)椤白孕边@個(gè)量子屬性在鏈的末端減半了,。

起初，沒(méi)人相信霍爾丹關(guān)于原子鏈的推論,。研究者們認(rèn)為自己已經(jīng)完全理解原子鏈?zhǔn)窃趺椿厥聝毫?。但事?shí)證明，霍爾丹發(fā)現(xiàn)了一種新型拓?fù)洳牧系牡谝粋€(gè)實(shí)例,，現(xiàn)在這種材料已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理研究中的一個(gè)活躍領(lǐng)域,。

量子霍爾流體和磁原子鏈都被歸于這類新的拓?fù)錉顟B(tài)中。研究者后來(lái)發(fā)現(xiàn)了許多其他出人意料的拓?fù)鋺B(tài),，不光存在于長(zhǎng)鏈和薄層表面中,，還存在于普通的三維材料。

拓?fù)浣^緣體,、拓?fù)涑瑢?dǎo)體和拓?fù)浣饘俣际悄壳暗臒衢T話題,。過(guò)去十年來(lái)，凝聚態(tài)物理的最前沿都被這個(gè)領(lǐng)域的研究所主導(dǎo),，重要原因是這些拓?fù)洳牧蠈?duì)于新一代電子元件和超導(dǎo)體會(huì)十分重要,，未來(lái)還可能導(dǎo)向量子計(jì)算機(jī)的研究。此刻,，研究者依然在探索三位諾獎(jiǎng)得主開創(chuàng)的薄層物質(zhì)“平面世界”的奇特屬性,。

（編輯：Ent，Calo,，燃玉,，Sol_陽(yáng)陽(yáng)，明天,，小勺子,；排版：Sol_陽(yáng)陽(yáng)）