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準晶,我先發現的但沒告訴導師,因為畢業比諾獎重要

準晶,是一種介于晶體和非晶體之間的固體,它是由一位叫達尼埃爾·舍特曼的以色列物理學家發現的。1982年4月8日,舍特曼在觀察一種錳鋁合金的時候,發現在自己的電子顯微鏡上,出現了一種旋轉36°對稱的圖形。沒過多久,他又在合金中發現了一種72°旋轉對稱的圖形,類似于下面兩幅圖。




多么美妙的圖案啊,而且從未被人發現過。他認為這種晶體是傳統晶體和非晶體之間的一種,于是將這種從未見過的固體命名為準晶,興沖沖地寫了一篇論文投遞給大牛期刊 Journal of Applied Physics(JAP)。然而,兩年后,被期刊斷然拒絕,拒絕的理由是↓↓




發表過無數重要發現的著名核心期刊 JAP 的固執令人震驚,并且完全沒有松動的意思。

而現如今,準晶已經成為了一大研究方向。2011年,瑞典皇家物理學院將諾貝爾化學獎頒給舍特曼,以鼓勵他為準晶的發現做出巨大貢獻。準晶作為新世紀的一大寵兒,憑借其獨特的性質,在各大核心刊物上,占據了不少席位。但是,我們回頭看1984年的 JAP,未免會感到疑惑,為何當年的 JAP 會如此固步自封呢?

這個故事就說來話長了。

很久以前,人們便發現,在很多固體的內部,原子常常按一定規律排列,這種排列方式在一定程度上決定了固體的性質。人們將內部排列有規律的稱之為晶體,而無規律的,則稱之為非晶體。人們認識到,晶體的內部不僅具有平移對稱性,還具有旋轉對稱性,而非晶體僅僅具有短程有序性,即局部區域中有序。在很長一段時間里,人們認為,世界上只有這兩種固體,晶體和非晶體。

從旋轉對稱性來說,依照傳統晶體觀點,晶體的二維圖的對稱軸應該只有五種,1、2、3、4、6條。像舍特曼得到的5次對稱軸和10次對稱軸,從晶體理論上來說,是不可能存在的。因為從數學的角度上說,這種5次對稱軸和10次對稱軸得到的圖案,不可能形成既平移對稱又旋轉對稱的圖形。That’s impossible!

不存在5次和大于6次對稱軸的晶體,這種學界主流公認晶體觀點被寫進教科書,一百年都沒有人懷疑過。

基于這種晶體理論,面對舍特勒的發現,當時著名的諾貝爾化學獎和諾貝爾和平獎獲得者萊納斯鮑林發表了著名言論:“這個世界上沒有準晶,只有蹩腳的科學家。”他認定準晶是不存在的,舍特曼的發現其實是晶體的孿晶,作為當時的學術大牛,他的言論給舍特曼帶來了巨大的壓力。

面對阻力,舍特曼沒有放棄自己的研究,他先是把論文投給了另一家期刊 Physical Review Letters(PRL),一邊將自己的成果拿去美國,尋求美國科學共同體內的廣泛認同。幸運的是,PRL遠比JAP要靈活的多,獨具慧眼的編輯決定讓這篇文章盡快發表出來。隨后不久,相關的類似晶體研究(來自日本,中國,美國)迅速占領了大家的眼球,準晶正式成為固體大家族的一員,開始炙手可熱的時代。

再過回頭來,讓我們看一眼這張圖:




可以看出,很明顯,圖的細節上是非周期性的,它確實不像傳統的晶體模型,能提取一種無限重復的圖案。但是整體來看,它又具有明顯的規律性。這種由非周期性的圖案鋪滿整個平面的構思,來自于和舍特曼同時期的英國數學家彭羅斯。如下圖中,兩種不同的圖形制成的整個平面的平鋪圖,便是大名鼎鼎的彭羅斯拼圖。彭羅斯拼圖跳出了傳統的正方形拼圖的觀念,巧妙地采用了一系列非周期性的磚組,構成了一系列規則的圖案。這從數學的角度,有力地證明了準晶存在的可能性,肯定了舍特曼的工作。彭羅斯本人也獲得了1988年的沃爾夫獎,這是數學界的最高獎之一。




一直以來,準晶的反對者一直堅持一種觀點,舍特曼做出準晶的衍射圖樣是電子衍射圖,沒有X射線衍射圖就什么都不是。我們今天知道X射線衍射和電子衍射從原理上說沒什么區別,但是當時的權威卻對這樣的反對堅信不疑。86年后,法國的一個組花了三年時間做出了準晶的X射線衍射圖樣,舍特曼拿著衍射圖樣找到了晶體學會議,終于說服晶體學的大佬們接受了準晶。在這之后,只有上文中著名的鮑林依舊反對準晶存在,但是從鮑林去世以后,世上就再也沒有反對準晶的聲音。

有趣的是,在準晶發現后的某一天,一位歐洲的科學家在整理自己的舊實驗記錄的時候,意外發現有一張很久以前自己研究生做出來的準晶衍射圖。導師給學生打電話說:“你知不知道,你在舍特曼之前發現了準晶的衍射圖!”學生回答:“知道啊。”導師氣的冒煙:“你知道,你知道為什么不提前告訴我?”學生回答:“我那時候都快畢業了,如果我要告訴你的話,你一定還要讓我延期兩年。”
……

所以說,有的時候,知識越多反而會成為我們的桎梏。在研究過程中發現的奇怪現象,一定要大膽假設,小心求證,萬一……不小心搞出來個諾貝爾獎呢?

最后,補充幾個準晶、非晶、晶體示意圖,這樣大家也就能直觀地感受到準晶的魅力了。






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