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拓樸物理學
純數學與物理的再連結 16 世紀時，現代科學之父伽利略認為可以用簡單的 數學語言來描述複雜的自然界現象，17 世紀中葉牛 頓發明了微積分來計算天體運行軌道，接下來的數個 世紀，數學與物理研究領域並沒有很大的區隔。拉普 拉斯（Pierre-Simon Laplace），勒讓德（Adrien-Marie Legendre），漢米爾頓（William Hamilton），高斯， 傅立葉（Joseph Fourier）等名家都號稱自然哲學家， 也就是物理學家、天文學家、也是數學家。 20 世紀的前半葉，我們更是見證了理論物理學家 借助數學所提供工具和基本架構來達成了革命性的物 理進展，數學內容也因這些新的物理學思想啟發而更 為豐富。19 世紀高斯和黎曼（Georg Riemann）所建 構的黎曼幾何是愛因斯坦廣義相對論的工具和語言。 而廣義相對論更將黎曼幾何推上了幾何研究的中心主 題。量子力學理論的初期發展奠基於對希爾伯特空間 的了解，繼而影響了數學泛函分析領域的發展。 針對20 世紀前半葉廣義相對論及量子論二大革命 性理論的發展，宇宙學家兼科普作家伽莫夫（George Gamow）在 1961 年曾經評論說：「只有數論及拓樸 學沒有物理應用。」 二次世界大戰前後期，數學社群在形式化及邏輯嚴 格化的訴求下，數學的論證愈來愈抹去直覺性的描 述，往往造成非專業人士很難一窺數學研究最新進展 的全貌。而同時期當道的物理研究著眼於發展量子力 學理論和應用，粒子物理學則致力於實驗的探索與物 理模型的建立，這些大多不需要太深刻的數學工具。 著名的數學物理學家戴森（Freeman Dyson）追溯了 當時這兩個學科之間的緊張關係，曾在1972 年宣告： 「國王（物理）與皇后（數學）離婚了！」 伽莫夫和戴森當年的評論對於數世紀來一直辯證發 展的過程或許正確，但也都不夠全面。譬如正是考量 拓樸特性，狄拉克（Paul Dirac）在 1931 年才能得出 馬克士威方程磁單極（magnetic monopole）解的存在 性。到了1970 至 80 年代之後，量子場論（quantum filed theory）的瞬子論（instanton theory）、非交換規 範理論（nonabelian gauge theory）與廣義相對論裡的 正質量定理（positive mass theorem）都是由許多數學 家和物理學家合作，運用了拓樸與幾何理論才建立証 明的。量子物理學中的方程解，更讓拓樸學家發現了 四維流形中令人驚訝和奇特的性質。 自1980 年代起，幾何與拓樸的論述給予當時剛發 現的量子霍爾效應一種拓樸詮釋，並發現一類被稱為 拓樸絕緣體（topological insulators）的材料。紹里斯 （David Thouless），赫爾丹（Duncan Haldane）和科 斯特利茲（Michael Kosterlitz）更因闡明量子霍爾效 應的拓樸本質而獲得2016 年諾貝爾物理獎 （見本刊 第11 期「數理簡訊」報導）。 1990 年費爾茲獎得主數學物理學家韋頓（Edward Witten）曾經評論說：「這項發現震撼物理學界…… 模式改變了。」正如韋頓的量子場論帶給純數學許多 嶄新突破，現在拓樸學似乎正為影響尚不可知的大自 然解釋提供了大量的可能性。1966 年費爾茲獎得主幾 何學家阿提雅（Michael Atiyah）現在也開始研究拓樸 相變（topological phase transition）的數學理論，他說： 「這是兩門學科之間極為美妙的想法的互動交流。」拓樸結構與拓樸相變為物理學提供了獨特的見解， 例如有些絕緣體可以沿表面的單原子層潛行導電。但 是一直到近幾年，研究人員才意識到這種現象可能比 任何人能想像的更為普遍和奇怪。如今物理學家紛紛
數 理 人 文 5 湧向這個新領域，名為拓樸物理學的領域正呈現爆炸 性的發展，光是《自然》（Nature）期刊家族，每個 月就至少有10 數篇拓樸物理學的文章發表。 儘管拓樸絕緣體本身就很有吸引力，拓樸物理學的 真正回報則是對於物質本身的深刻理解。這些發現標 誌了搜索物質拓樸結構更廣泛的開始，而且這種結構 將會是肥沃的研究與應用土壤。部分原因是：有別於 量子數根植於對稱性，拓樸量子數對於這種缺陷相當 不敏感。這種拓樸阻礙（obstruction）提供了各種應 用的可能性。例如在傳統上對無序非常敏感的半導體 光感測器與光纖，光學元件往往依賴於拋光表面的能 力。如果能夠發明利用拓樸狀態的光子元件（photonic devices），不僅使製造和改進元件更容易，也可進行 更新穎的設計。類似的原理也可以應用於古典力學系 統。例如像聲子（phonon）這種力學模態是玻色態 （bosonic），拓樸模態也可類似產生，其應用是提高 長距離傳輸的效率，利用這些想法控制聲波，可以找 到實際的應用。 對 於 電 子 系 統， 實 驗 已 發 現 並 確 認 魏 爾 費 米 子 （Weyl fermion）的拓樸特徵。更重要的是如果能 開 發 拓 樸 超 導 體， 應 該 可 以 找 到 馬 約 拉 納 費 米 子 （Majorana fermion，其反粒子為自己），這將為理論 上的拓樸量子電腦提供平台。物理學家和材料學家希 望這些拓樸材料能夠最終應用到速度更快、效率更高 的電腦晶片，甚至是稀奇的量子電腦。 量子電腦的構想已經有近50 年的歷史了，通過進 一步將拓樸絕緣體與超導體相結合，可以無阻地傳導 電力，研究人員可以構建一個實用的量子電腦。這樣 的技術將可使用量子計算，它提供了方法解決傳統電 腦無法克服的問題。量子計算是利用量子力學進行計 算。不同於傳統電腦的二進制位元（bit），量子電腦 使用可疊加（superposition）態的量子位元（qubit）。 如果把傳統電腦比喻成樂器，量子電腦就像交響樂 團，一次運算可以處理多種狀況，因此一個40 量子 位元的量子電腦，就能在很短時間內解開1024 位元 電腦花上數十年解決的問題。截至目前，實體量子電 腦的發展還處於起步階段，但是實驗和理論研究仍在 繼續。全球學術研究團體和許多主要的科技公司都蜂 擁致力於量子計算的實現。2017 年 6 月號的Scientific American 將量子計算選為年度10 大科學進展。 拓樸量子電腦在理論上運用稱為任意子（anyons） 的二維準粒子（quasiparticles），它的世界線（world line）相互纏繞（entanglement），形成三維時空（一 個時間加上兩個空間維度）的辮帶（braids）。這些 辮帶組成電腦的邏輯閘（logic gate）。基於量子辮帶 的量子電腦比起使用量子粒子，好處是前者更加穩 定。通常小干擾的累積可能導致量子態的退相干，並 在計算中導致誤差，但這種小擾動不會改變辮帶的拓 樸性質。 有別於一般量子電腦運用較成熟的硬體技術來製造 量子位元，微軟（Microsoft）在 2005 年投入的大量 的資金，由1986 年費爾茲獎得主、低維拓樸學家弗 利德曼（Michael Freedman），帶領以 35-40 位數學家 和電腦科學家所組成的團隊，研發量子辮帶的關鍵理 論，去年更聘用了數名明星級的實驗物理學家在世界 各地設立微軟實驗室，目的是證明任何人都可以進行 量子編碼並做簡單的量子計算。 語言的障壁讓數學家不易和其他領域的科學家分享 想法，但拓樸物理學與其應用的火紅崛起，讓這些苦 心孤詣的努力顯得分外有價值。（編輯室）
數 理 人 文 11 6 域提出許多創見的學者，他的共感化／系統化理論 （empathizing–systemizing theory）是用同情共感和系 統化兩種能力來衡量人格特質。女性腦偏向共感，男 性腦偏向系統化，而自閉症是極度男性腦，他們系統 化的能力很強，但卻很難體會別人的想法和情感。系 統化是數理學科的特性，而自閉症又具有遺傳性，那 麼是否可以找到數學、科學領域和自閉症的關係呢？ 貝倫科恩在2007 年發表的一項針對 792 名劍橋大學 學生所做的調查，他發現數學系學生有自閉症的比例 是非數學系學生的8 倍（分別是 1.85%、0.24%）。 而由其他人針對矽谷或別的高科技產業聚集城市所做 的各種調查，也顯示自閉症的發生率較高。 有些人則更進一步主張：自閉症不只是與數理天分 有關，更是構成數理天才的成分之一。這一派可以牛 津大學數學家詹姆斯（Ioan James）和都柏林三一學 院精神醫學家費滋傑羅（Michael Fitzgerald）為代表 人物。在他們看來，自閉症的特徵：刻板重複的行為 和狹窄的興趣，被解釋成專注和有毅力。這種性格若 再加上高度智力，便能取得卓越成績。 為了替理論找證據，他們回溯去「診斷」歷史人 物。可想而知，數學、科學的歷史殿堂裡充滿了自閉 症學者。除了常被人提到牛頓、愛因斯坦、狄拉克、 維根斯坦之外，費滋傑羅更進一步找到了哈第（G.H. Hardy）、艾狄胥（Paul Erd s），甚至用 E.T. Bell 頗 有爭議性的《大數學家》傳記確診出高斯、黎曼，甚 至阿基米德！ 撇開自閉症是一個連定義和分類都還在變動的「病 症」，許多知名的數學家看起來毫無自閉症的跡象（如 這期人物訪談的阿提雅和博特），就算自閉症能說明 部分數學家的成就，也不會是必要條件。費滋傑羅這 麼確定，會不會太過偏執？（編輯室）
自閉症與數學天才
在 英 文 維 基 百 科 的 數 學 家 博 切 爾 茲（Richard Borcherds）辭條裡，除了他的生平和數學貢獻，裡面 還有一段提到他患有亞斯伯格症候群（一種較輕微的 自閉症）。與名人的自我診斷不同，博切爾茲確實是 經過精神醫學家診斷確認的案例。替他做診斷的貝倫 科恩（Simon Baron-Cohen，劍橋大學自閉症研究中心 主任）在《基本差異》（The Essential Difference）一 書中寫下了詳細經過。 當1998 年費爾茲獎得主名單公布後不久，博切爾茲 接受英國《衛報》的專訪時提到，「有次我看報紙， 上面寫了亞斯伯格症有六種徵兆，我跟自己說：『嘿， 我居然有五項符合。』」這只是訪談中帶過的話，但 貝倫科恩讀到後，卻很感興趣，主動登門造訪。 貝倫科恩先和博切爾茲本人進行訪談，接著再去拜 訪他的父母，以得知他童年的狀況。博切爾茲從小就 習慣獨自一人，不喜歡參加集體活動，但他也不會完 全沒朋友，因為下棋或玩紙上遊戲要有同伴。成年後 的博切爾茲也沒改變。面對面的交談，他只能和一個 人談一小段時間，如果是一群人就沒辦法了。他不和 人閒聊，電子郵件只用來辦正事，電話交談能免則免。 這樣算不正常嗎？讀者們可以自己評判，但根據專 家，它符合亞斯伯格症候群的定義。當貝倫科恩告知 診斷結果時，博切爾茲的反應很淡然，他說，如果年 輕時知道或許會有用，但現在知道，已經沒有差別了。 貝倫科恩在講完故事後補充，現在的博切爾茲在社 會上找到了適合自己的棲所，週遭的人理解他，生活 沒什麼不便，因此並沒有診斷治療的必要。 為博切爾茲做診斷的貝倫科恩是在自閉症研究領數 理 人 文 7 實至名歸，八年前未拿到費爾茲獎，已經是遺珠之憾。 哈肯很能掌握複雜抽象的結構，麥科南的風格傾向於 直覺，兩人的組合是絕配，是醉心於研究的學者。」 成大的賴青瑞是哈肯的學生，他回顧師生的相處說： 「哈肯很顧家，每次討論，師母打電話來時，他最後 一定加一句I love you 才掛電話。十年前他已經有四 個小孩（現在是六個），上班日大都在四點前離開接 小孩，晚上還要陪小孩。所以他研究起來非常專注， 他平衡研究與生活的本事真是令人印象深刻。」 至於頒給年輕數學家的新視野獎（New Horizon）， 除了我們介紹過的張偉和惲之瑋（見本刊第九期〈演 奏朗蘭茲的中國數學四重奏〉）獲獎之外，還有幾何 分析的納伯（Aaron Naber），以及以模形式應用於裝 球問題的韋雅卓斯卡（Maryna Viazovska）。 突破獎頒獎典禮重星雲集，但幾年來臺灣媒體殊少 關注。今年因小名人歐陽娜娜演奏大提琴，讓這段摩 根費里曼介紹出場的片段在媒體瘋傳討論。這種效應 正是高調的突破獎所追求的。但風潮過後，到底臺灣 有多少人因此知道突破獎是什麼呢？（編輯室）
