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物理学家、诺奖得主大卫·索利斯去世,他揭示了物质状态的秘密

Dylan Loeb McClain2019-04-24 06:50:04

他的研究为各类电子设备、半导体以及量子计算机的开发和改进工作提供了理论支持。

本文只能在《好奇心日报》发布,即使我们允许了也不许转载*

当地时间 4 月 6 日,大卫·索利斯(David J. Thouless)在英国剑桥去世,享年 84 岁。他因成功运用数学方法解释物质的奇妙状态(比如超导状态和超流体状态),在 2016 年分获诺贝尔物理学奖

剑桥大学公布了索利斯的死讯,但没有透露具体死因。索利斯博士出生于苏格兰,父母是英国人,他曾在剑桥大学任教,在华盛顿大学工作期间获得诺贝尔奖。

索利斯博士对凝聚态物理学(condensed-matter physics)特别感兴趣,他花费大量精力探寻了物质在物理状态发生改变时(科学家称之为相变,类似于冰融化成水,或水沸腾变成蒸汽的物理状态变化)其物理特性会发生怎样的变化。

虽然相变看似简单,但它的数学解释却异常复杂且重要——运用量子力学理论从微观层面解释相变,对推动物理学发展具有重要意义。

索利斯博士的研究为各类电子设备、半导体以及量子计算机的开发和改进工作提供了理论支持。有朝一日我们有可能利用自旋(spin)等基本粒子的特性,开发出拥有惊人计算能力的量子计算机。

1970 年代,当索利斯博士在英国伯明翰大学工作时,他对超薄二维材料的相变现象以及超导现象(即材料的电阻突然消失)产生了浓厚兴趣。

许多科学家认为这样的相变不可能实现,因为热波动将打乱原子和分子间的理想排列状态,而这正是发生超导或超流体现象的必要条件。

索利斯博士与另外两位英国科学家一同获得 2016 年诺贝尔物理学奖,他们是布朗大学的迈克尔·科斯特利茨(J. Michael Kosterlitz)和普林斯顿大学的邓肯·霍尔丹(F. Duncan M. Haldane)。

索利斯博士和科斯特利茨博士合作,利用拓扑学来研究相变问题。拓扑学是数学的一门分支,关注事物的基本形状,研究物体在改变或变形时保留了哪些属性。(拓扑曲面是由物体表面的孔洞数目来决定的。在拓扑学中甜甜圈和咖啡杯具有相似性,因为它们都有一个孔。)

索利斯博士和科斯特利茨博士运用数学方法,论证了一些二维材料是由顺时针旋转和逆时针旋转的涡旋系统构成,这些涡旋对应着正电荷和负电荷。在极度低温下,涡旋系统会实现自动对齐,从而出现超导现象或超流体现象。

他们还给出另一个结论:如果温度升高,会导致材料发生相变,进而打乱原本对齐的涡旋系统,使材料失去“超能力”。这种相移被称为科斯特利兹-索利斯相变(Kosterlitz-Thouless transition)。

后来的实验证实了这个理论。

在宣布 2016 年诺贝尔奖得主时,芝加哥大学物理学家迈克尔·特纳(Michael S. Turner)把索利斯博士和相关科学家的工作描述为“对实际应用与理论研究都有重大贡献的颠覆性创新见解”。

1982 年,索利斯博士运用拓扑学理论对另一个问题上展开研究:量子霍尔效应。

霍尔效应以美国物理学家埃德温·霍尔(Edwin Hall)的名字命名。霍尔在 1879 年发现,当电流垂直于外磁场通过导体时,导体两端会出现电势差。(原因很简单,磁场会吸引或排斥导体中移动的电子,从而在材料中产生微小的电势差。)

1980 年,德国物理学家冯·克里津(Klaus von Klitzing)在重复霍尔做过的实验时,把导体薄片冷却到接近绝对零度,他发现材料的电阻参数与作用磁场的强度有函数关系,不同的磁场强度对应不同的电阻参数,它们间存在梯度关系。

结果证明,霍尔效应具有普适性,电势差与电流大小以及磁场的强度有关,与材料本身并没有太大关系,因此确保了可以用其他具有缺陷的材料进行重复实验。这一发现意义重大,因为它使得工业应用变得容易得多。

因为发现了霍尔效应,克里津博士在 1985 年获得了诺贝尔物理学奖

理论学家想用数学的方法来解释霍尔效应,所以索利斯博士在三位研究助理的帮助下,运用拓扑学来研究这个问题。他们在 1982 年发表了一篇具有里程碑意义的论文,将克里津博士的发现与所谓的“陈数”(Chern number)联系起来。“陈数”以美籍华裔数学家陈省身的名字命名,科学家用它来表征拓扑形状。

得益于杰出的数学洞察力,以及早期与科斯特利茨合作取得的成果,索利斯博士与另外两位科学家一道获得了 2016 年诺贝尔物理学奖。

1934 年 9 月 21 日,大卫·詹姆斯·索利斯(David James Thouless)出生于苏格兰的比尔斯登(Bearsden),父亲罗伯特·索利斯(Robert Thouless)和母亲普里西拉·戈登(Priscilla Gorton)都是英国人(他说他的姓是 Thewless 和 Thewlis 的变体)。他的母亲在 1925 年生下了索利斯的姐姐苏珊(Susan),生育之前她是英国曼彻斯特的一名英语老师。索利斯的父亲是格拉斯哥大学的心理学教授,他还在广播电台担任节目主持人,以批判性思维为主题,很受电台听众的欢迎。他根据这些节目出版了一本名为《避开思维陷阱》(Straight and Crooked Thinking)的书籍(美国版本书名为“How to Think Straight”),这本书后来成为修辞学学生的必读书。

索利斯在剑桥大学完成了本科教育,然后前往美国康奈尔大学攻读博士学位。他的导师是 1967 年的诺贝尔物理学奖得主汉斯·贝斯(Hans Bethe)。

在康奈尔大学求学期间,索利斯遇到了玛格丽特·斯克莱斯(Margaret Scrase),并与她结了婚。他的妻子现在是华盛顿大学病理生物学荣誉退休教授。他的在世亲人还包括三个孩子,迈克尔、克里斯托弗和海伦(Michael, Christopher and Helen)。

1958 年从康奈尔大学毕业后,索利斯在加州劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)工作了一年,之后加入了伯明翰大学数学物理系,师从另一位世界著名物理学家鲁道夫·佩尔斯(Rudolf Peierls)。

索利斯博士在 1978 年离开伯明翰大学,并在耶鲁大学任教两年,之后前往西雅图的华盛顿大学任教,一直工作到 2014 年。最后他回到了母校剑桥大学。

1993 年,索利斯博士获得了著名的沃尔夫物理学奖和以量子物理学之父——保罗·狄拉克(Paul Dirac)命名的狄拉克奖章。


翻译:熊猫译社 驰逸

题图来自 BBC

© 2019 THE NEW YORK TIMES

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