準(zhǔn)晶，我先發(fā)現(xiàn)的但沒(méi)告訴導(dǎo)師，因?yàn)楫厴I(yè)比諾獎(jiǎng)重要

準(zhǔn)晶，是一種介于晶體和非晶體之間的固體，它是由一位叫達(dá)尼埃爾·舍特曼的以色列物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)的。1982年4月8日，舍特曼在觀察一種錳鋁合金的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)在自己的電子顯微鏡上，出現(xiàn)了一種旋轉(zhuǎn)36°對(duì)稱的圖形。沒(méi)過(guò)多久，他又在合金中發(fā)現(xiàn)了一種72°旋轉(zhuǎn)對(duì)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(fā)現(xiàn)過(guò)。他認(rèn)為這種晶體是傳統(tǒng)晶體和非晶體之間的一種，于是將這種從未見(jiàn)過(guò)的固體命名為準(zhǔn)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(fā)表過(guò)無(wú)數(shù)重要發(fā)現(xiàn)的著名核心期刊 JAP 的固執(zhí)令人震驚，并且完全沒(méi)有松動(dòng)的意思。

而現(xiàn)如今，準(zhǔn)晶已經(jīng)成為了一大研究方向。2011年，瑞典皇家物理學(xué)院將諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給舍特曼，以鼓勵(lì)他為準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)做出巨大貢獻(xiàn)。準(zhǔn)晶作為新世紀(jì)的一大寵兒，憑借其獨(dú)特的性質(zhì)，在各大核心刊物上，占據(jù)了不少席位。但是，我們回頭看1984年的 JAP，未免會(huì)感到疑惑，為何當(dāng)年的 JAP 會(huì)如此固步自封呢？

這個(gè)故事就說(shuō)來(lái)話長(zhǎng)了。

很久以前，人們便發(fā)現(xiàn)，在很多固體的內(nèi)部，原子常常按一定規(guī)律排列，這種排列方式在一定程度上決定了固體的性質(zhì)。人們將內(nèi)部排列有規(guī)律的稱之為晶體，而無(wú)規(guī)律的，則稱之為非晶體。人們認(rèn)識(shí)到，晶體的內(nèi)部不僅具有平移對(duì)稱性，還具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，而非晶體僅僅具有短程有序性，即局部區(qū)域中有序。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，人們認(rèn)為，世界上只有這兩種固體，晶體和非晶體。

從旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性來(lái)說(shuō)，依照傳統(tǒng)晶體觀點(diǎn)，晶體的二維圖的對(duì)稱軸應(yīng)該只有五種，1、2、3、4、6條。像舍特曼得到的5次對(duì)稱軸和10次對(duì)稱軸，從晶體理論上來(lái)說(shuō)，是不可能存在的。因?yàn)閺臄?shù)學(xué)的角度上說(shuō)，這種5次對(duì)稱軸和10次對(duì)稱軸得到的圖案，不可能形成既平移對(duì)稱又旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的圖形。That’s impossible!

不存在5次和大于6次對(duì)稱軸的晶體，這種學(xué)界主流公認(rèn)晶體觀點(diǎn)被寫進(jìn)教科書，一百年都沒(méi)有人懷疑過(guò)。

基于這種晶體理論，面對(duì)舍特勒的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)著名的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)和諾貝爾和平獎(jiǎng)獲得者萊納斯鮑林發(fā)表了著名言論：“這個(gè)世界上沒(méi)有準(zhǔn)晶，只有蹩腳的科學(xué)家。”他認(rèn)定準(zhǔn)晶是不存在的，舍特曼的發(fā)現(xiàn)其實(shí)是晶體的孿晶，作為當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)大牛，他的言論給舍特曼帶來(lái)了巨大的壓力。

面對(duì)阻力，舍特曼沒(méi)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(guó)，尋求美國(guó)科學(xué)共同體內(nèi)的廣泛認(rèn)同。幸運(yùn)的是，PRL遠(yuǎn)比JAP要靈活的多，獨(dú)具慧眼的編輯決定讓這篇文章盡快發(fā)表出來(lái)。隨后不久，相關(guān)的類似晶體研究（來(lái)自日本，中國(guó)，美國(guó)）迅速占領(lǐng)了大家的眼球，準(zhǔn)晶正式成為固體大家族的一員，開(kāi)始炙手可熱的時(shí)代。

再過(guò)回頭來(lái)，讓我們看一眼這張圖：




可以看出，很明顯，圖的細(xì)節(jié)上是非周期性的，它確實(shí)不像傳統(tǒng)的晶體模型，能提取一種無(wú)限重復(fù)的圖案。但是整體來(lái)看，它又具有明顯的規(guī)律性。這種由非周期性的圖案鋪滿整個(gè)平面的構(gòu)思，來(lái)自于和舍特曼同時(shí)期的英國(guó)數(shù)學(xué)家彭羅斯。如下圖中，兩種不同的圖形制成的整個(gè)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(tǒng)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(gòu)成了一系列規(guī)則的圖案。這從數(shù)學(xué)的角度，有力地證明了準(zhǔn)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(jiǎng)，這是數(shù)學(xué)界的最高獎(jiǎng)之一。




一直以來(lái)，準(zhǔn)晶的反對(duì)者一直堅(jiān)持一種觀點(diǎn)，舍特曼做出準(zhǔn)晶的衍射圖樣是電子衍射圖，沒(méi)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(shuō)沒(méi)什么區(qū)別，但是當(dāng)時(shí)的權(quán)威卻對(duì)這樣的反對(duì)堅(jiān)信不疑。86年后，法國(guó)的一個(gè)組花了三年時(shí)間做出了準(zhǔn)晶的X射線衍射圖樣，舍特曼拿著衍射圖樣找到了晶體學(xué)會(huì)議，終于說(shuō)服晶體學(xué)的大佬們接受了準(zhǔn)晶。在這之后，只有上文中著名的鮑林依舊反對(duì)準(zhǔn)晶存在，但是從鮑林去世以后，世上就再也沒(méi)有反對(duì)準(zhǔn)晶的聲音。

有趣的是，在準(zhǔn)晶發(fā)現(xiàn)后的某一天，一位歐洲的科學(xué)家在整理自己的舊實(shí)驗(yàn)記錄的時(shí)候，意外發(fā)現(xiàn)有一張很久以前自己研究生做出來(lái)的準(zhǔn)晶衍射圖。導(dǎo)師給學(xué)生打電話說(shuō)：“你知不知道，你在舍特曼之前發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶的衍射圖！”學(xué)生回答：“知道啊。”導(dǎo)師氣的冒煙：“你知道，你知道為什么不提前告訴我？”學(xué)生回答：“我那時(shí)候都快畢業(yè)了，如果我要告訴你的話，你一定還要讓我延期兩年。”
……

所以說(shuō)，有的時(shí)候，知識(shí)越多反而會(huì)成為我們的桎梏。在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的奇怪現(xiàn)象，一定要大膽假設(shè)，小心求證，萬(wàn)一……不小心搞出來(lái)個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)呢？

最后，補(bǔ)充幾個(gè)準(zhǔn)晶、非晶、晶體示意圖，這樣大家也就能直觀地感受到準(zhǔn)晶的魅力了。