研奇異物質 3學者共享諾貝爾物理獎

2016諾貝爾物理學獎由研究「物質拓樸相變與拓樸相位理論」(Topological phase transition) 的美國學者托勒斯(David J. Thouless)、賀丹(F. Duncan M.Haldane)、科斯特里茲(J. Michael Kosterlitz)共同獲得。托勒斯個人獨得半數獎金,另兩位學者平分另外半份獎金。三位學者的研究對凝態物理學研發超導體和未來量子電腦,及解釋「奇異物質」原理有重要貢獻。

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1980年以前,拓樸學僅是數學學門中的研究項目,物理學研究者很少會去學習,因此也從未想過將拓樸學應用在物理學上。1980年托勒斯率先提出這項理論,開了一條過去沒有人走的路,進而引發後世學者爭相研究,可說是這個研究領域的開山祖師。

三人的研究理論,可用甜甜圈舉例,一般常見的甜甜圈是圓形,中間有一個洞。當甜甜圈經過烘焙定型後,不論在甜甜圈上灑上什麼樣的材料或裝飾,都不會改變甜甜圈既有的形狀,這樣穩定的狀態就稱為拓樸結構。

甜甜圈
甜甜圈

過去研究材料科學與電子學的時候因為沒有拓樸學的支持,所以很多的材料由於含有雜質等原因無法被運用在科學研究與製造機密儀器。不過這項理論指出,電子材料中應含有許多拓樸結構,雖然形狀各異,但就如同烤好的甜甜圈一樣,狀態非常穩定,並不會受雜質的影響。

未來這項理論也可望使用於量子電腦的研發。量子電腦的材料不穩定度高,容易受到外在環境的影響,一直是研發的困境。若能將這道理論套用在相關的材料科學上,量子電腦問世指日可待。科學家期待未來量子電腦有2個態,計算不再只是0和1,可做更快的運算,而且不容易過熱。

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雖然這項理論問世30多年,但目前相關的研究仍停留在實驗室,並未被實際運用。近十多年已有許多過去未被重視或不為人知的新材料都一一被發現,而且也有不少科學家投入研究。若未來實驗證實這些新材料能夠實際被運用,甚至取代現在使用的材料,不但能大幅減低研究與研發的成本,也將大大的改變人類的生活。

托勒斯已高齡82歲,美國康乃爾大學(Cornell University)博士,目前是西雅圖(Seattle)華盛頓大學(University of Washington)教授。賀丹現年65歲,英國劍橋大學(Cambridge University)博士,目前任教於美國普林斯頓大學(Princeton University)。科斯特里茲現年74歲,英國牛津大學(Oxford University)博士,目前任教於美國布朗大學(Brown University)。

【歷史上的諾貝爾物理學獎】

1901年首次頒發

諾貝爾物理學獎是根據瑞典著名化學家阿爾弗雷德·貝恩哈德·諾貝爾的遺囑,以其部分遺產作為基金創立的5項獎項之一,旨在獎勵那些對人類物理學領域裡作出突出貢獻的科學家。

諾貝爾獎由瑞典皇家科學院頒發。首次頒發是在1901年,獲獎者是發現X射線的物理學家威爾姆·康拉德·倫琴。諾貝爾物理學獎的獲得者還包括愛因斯坦、居里夫人、玻爾等等有着傑出貢獻的科學家。

共頒發109次

自1901年至2015年,諾貝爾物理學獎項已頒發109次。其中,1916年、1931年、1934年、1940年、1941年和1942年這6年未頒獎。

為什麼這些年份沒有頒獎?諾貝爾基金會的章程稱,如果沒有足夠重要的成就,獎金將被留至下一年。如果第二年仍然未能頒出,這份獎金將被加入到基金會的限制資金中。在兩次世界大戰期間,諾貝爾獎較少頒出。

201人次獲獎,2名女性

從1901年到2015年,諾貝爾獎物理學獎頒發給了201人次。約翰·巴丁曾經兩次獲得這一殊榮,因此事實上一共有200人獲得過這一獎項。

在獲得過諾貝爾物理學獎的200名個人中,僅有2名女性。其中一位是著名物理學家、化學家居里夫人,她於1903年與丈夫皮埃爾·居里共同獲此殊榮。居里夫婦也是唯一一對共同獲得諾貝爾物理學獎的夫妻。

單獨獲獎與共同獲獎

截至2015年,物理學獎頒發給單獨個人的為47次;32次該獎項為兩人同得,30次該獎項由三人共享。

根據規定,一項諾貝爾獎最多可以頒給兩項不同的成就,獎金將均分。而如果一項成就是由2到3個人共同完成,那麼獎金將聯合授予他們。一份獎金最多由3人。

從25歲到88歲

勞倫斯·布拉格是迄今獲得物理學獎最年輕的人,1915年,年僅25歲的布拉格與其父共同獲得諾貝爾物理學獎。

2002年,88歲的雷蒙德·戴維斯獲諾貝爾物理學獎。這使他成為目前獲得諾貝爾物理學獎年齡最大的人。

諾貝爾物理學獎的獲獎者平均年齡為55歲。

4對「獲獎父子檔」

1915年,威廉姆·布拉格和他的兒子勞倫斯·布拉格共同獲得了諾貝爾物理學獎。

除了這對共同獲獎的父子外,還有3對「家學淵源」的父子先後獲得了諾貝爾物理學獎。分別是1922年獲獎的父親尼爾斯·玻爾和1975年獲獎的兒子奧格·玻爾,1924年獲獎的父親曼內·西格巴恩和1981年獲獎的兒子凱·西格巴恩,以及1906年獲獎的父親約瑟夫·約翰·湯姆生和1937年獲獎的兒子喬治·帕傑·湯姆生。■

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