未来十年哪些基础科学突破会影响互联网科技产业？产业互联网和消费互联网融合创新，会带来哪些改变？

手机用一段时间会发热，电脑速度不够快，冰箱耗电太多——你是不是对家里的电器总是有些不满意？未来，如果能把拓扑材料应用到电器中，这些问题都可迎刃而解。三位科学家因为在拓扑材料、拓扑相变领域的重大贡献，获得了 2016 年度诺贝尔物理学奖。他们分别是英美双重国籍的大卫·索利斯，英国的邓肯·霍尔丹及迈克尔·科斯德利茨。他们是拓扑物态研究的先驱和开创者。他们在这个方向的早期开创性工作，为拓扑物态的发展打下了基础。

来自数学的启示

在科学界有句名言：「数学是科学之母。」在人类历史发展和社会生活中，数学发挥着不可替代的作用，也是学习和研究现代科学技术必不可少的基本工具。几乎没有哪一门自然科学的研究能够脱离数学的支撑，物理学和数学的联系尤其紧密。

微积分是牛顿力学的基础，黎曼几何是广义相对论的基础，微分几何是弦理论的基础，而量子力学的每次进展也都会有矩阵、群论这些新的数学工具「加盟」……可以说，每当有新的数学工具被引入物理学，都会极大地推动物理学的发展。

同样，三位获奖者的拓扑物态研究也是建立在数学研究的基础上的。「拓扑」一词源于数学。「拓扑学」是近代发展起来的数学领域中一个重要的、基础的分支，研究的是几何图形在连续形变下保持不变的性质，是描述局部形变下的不变性。拓扑研究只考虑物体间的位置关系，而不考虑它们的形状和大小。

在 2016 年诺贝尔奖颁奖的新闻发布会上，诺贝尔物理学奖评委会委员托尔斯·汉森从自己的午餐袋中取出了三个形状不同的面包：一个没有洞的瑞典国民肉桂卷面包、有一个洞的面包圈和两个洞的瑞典碱水面包，以便更生动地让各位媒体人了解「拓扑学」这个相对冷门的概念。汉森解释道：「对我们来说，这三种面包是完全不同的，口味有甜有咸，形状也不一样；对于拓扑学家而言，他们关注的不同点却只有一个，那就是面包上洞的数量——肉桂卷面包上没有洞，面包圈上有一个洞，碱水面包上有两个洞。对于这些面包，我可以弯曲它、挤压它，但如果要改变洞的数量，我就必须非常用力地撕开它才行，这就是拓扑不变量的稳定性。」

什么是拓扑物态

后来，科学家将「拓扑」的概念运用于物理研究。比如，某个拓扑材料的细节发生了细小的变化，但是其性质、功能依然保持。这就是物理学中的拓扑物态理论。

那么，什么是「拓扑物态」呢？它是指物质发生连续形变所处的相对稳定的物态，是拓扑材料专有的物态，和拓扑材料的几何性质关系密切。物态是一般物质在一定的温度和压强条件下所处的相对稳定的状态，通常是指固态、液态和气态。物质的上述三种状态是可以互相转化的。比如液态的水，冷的时候会结成冰（固态），加热到较高温度时会变成蒸汽（气态）。

拓扑物态听起来似乎特别深奥，但我们可以用简单的例子来理解它。想象一下，有一个橡皮泥做的球，把它揉一揉，捏一捏，通过小的形变，就可以把球面变成一个正方体的表面，但是却不能把它变成一个面包圈的表面。因为，如果要变成面包圈的表面形状，就必须要把球面戳一个洞，这也就打破了这个表面的连续性。再换成专业词汇来表达：球状和面包圈状拓扑材料，具有不同的拓扑物态；而球状和正方体状拓扑材料，则具有相同的拓扑物态。