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准晶,我先发现的但没告诉导师,因为毕业比诺奖重要

准晶,是一种介于晶体和非晶体之间的固体,它是由一位叫达尼埃尔·舍特曼的以色列物理学家发现的。1982年4月8日,舍特曼在观察一种锰铝合金的时候,发现在自己的电子显微镜上,出现了一种旋转36°对称的图形。没过多久,他又在合金中发现了一种72°旋转对称的图形,类似于下面两幅图。




多么美妙的图案啊,而且从未被人发现过。他认为这种晶体是传统晶体和非晶体之间的一种,于是将这种从未见过的固体命名为准晶,兴冲冲地写了一篇论文投递给大牛期刊 Journal of Applied Physics(JAP)。然而,两年后,被期刊断然拒绝,拒绝的理由是↓↓




发表过无数重要发现的著名核心期刊 JAP 的固执令人震惊,并且完全没有松动的意思。

而现如今,准晶已经成为了一大研究方向。2011年,瑞典皇家物理学院将诺贝尔化学奖颁给舍特曼,以鼓励他为准晶的发现做出巨大贡献。准晶作为新世纪的一大宠儿,凭借其独特的性质,在各大核心刊物上,占据了不少席位。但是,我们回头看1984年的 JAP,未免会感到疑惑,为何当年的 JAP 会如此固步自封呢?

这个故事就说来话长了。

很久以前,人们便发现,在很多固体的内部,原子常常按一定规律排列,这种排列方式在一定程度上决定了固体的性质。人们将内部排列有规律的称之为晶体,而无规律的,则称之为非晶体。人们认识到,晶体的内部不仅具有平移对称性,还具有旋转对称性,而非晶体仅仅具有短程有序性,即局部区域中有序。在很长一段时间里,人们认为,世界上只有这两种固体,晶体和非晶体。

从旋转对称性来说,依照传统晶体观点,晶体的二维图的对称轴应该只有五种,1、2、3、4、6条。像舍特曼得到的5次对称轴和10次对称轴,从晶体理论上来说,是不可能存在的。因为从数学的角度上说,这种5次对称轴和10次对称轴得到的图案,不可能形成既平移对称又旋转对称的图形。That’s impossible!

不存在5次和大于6次对称轴的晶体,这种学界主流公认晶体观点被写进教科书,一百年都没有人怀疑过。

基于这种晶体理论,面对舍特勒的发现,当时著名的诺贝尔化学奖和诺贝尔和平奖获得者莱纳斯鲍林发表了著名言论:“这个世界上没有准晶,只有蹩脚的科学家。”他认定准晶是不存在的,舍特曼的发现其实是晶体的孪晶,作为当时的学术大牛,他的言论给舍特曼带来了巨大的压力。

面对阻力,舍特曼没有放弃自己的研究,他先是把论文投给了另一家期刊 Physical Review Letters(PRL),一边将自己的成果拿去美国,寻求美国科学共同体内的广泛认同。幸运的是,PRL远比JAP要灵活的多,独具慧眼的编辑决定让这篇文章尽快发表出来。随后不久,相关的类似晶体研究(来自日本,中国,美国)迅速占领了大家的眼球,准晶正式成为固体大家族的一员,开始炙手可热的时代。

再过回头来,让我们看一眼这张图:




可以看出,很明显,图的细节上是非周期性的,它确实不像传统的晶体模型,能提取一种无限重复的图案。但是整体来看,它又具有明显的规律性。这种由非周期性的图案铺满整个平面的构思,来自于和舍特曼同时期的英国数学家彭罗斯。如下图中,两种不同的图形制成的整个平面的平铺图,便是大名鼎鼎的彭罗斯拼图。彭罗斯拼图跳出了传统的正方形拼图的观念,巧妙地采用了一系列非周期性的砖组,构成了一系列规则的图案。这从数学的角度,有力地证明了准晶存在的可能性,肯定了舍特曼的工作。彭罗斯本人也获得了1988年的沃尔夫奖,这是数学界的最高奖之一。




一直以来,准晶的反对者一直坚持一种观点,舍特曼做出准晶的衍射图样是电子衍射图,没有X射线衍射图就什么都不是。我们今天知道X射线衍射和电子衍射从原理上说没什么区别,但是当时的权威却对这样的反对坚信不疑。86年后,法国的一个组花了三年时间做出了准晶的X射线衍射图样,舍特曼拿着衍射图样找到了晶体学会议,终于说服晶体学的大佬们接受了准晶。在这之后,只有上文中著名的鲍林依旧反对准晶存在,但是从鲍林去世以后,世上就再也没有反对准晶的声音。

有趣的是,在准晶发现后的某一天,一位欧洲的科学家在整理自己的旧实验记录的时候,意外发现有一张很久以前自己研究生做出来的准晶衍射图。导师给学生打电话说:“你知不知道,你在舍特曼之前发现了准晶的衍射图!”学生回答:“知道啊。”导师气的冒烟:“你知道,你知道为什么不提前告诉我?”学生回答:“我那时候都快毕业了,如果我要告诉你的话,你一定还要让我延期两年。”
……

所以说,有的时候,知识越多反而会成为我们的桎梏。在研究过程中发现的奇怪现象,一定要大胆假设,小心求证,万一……不小心搞出来个诺贝尔奖呢?

最后,补充几个准晶、非晶、晶体示意图,这样大家也就能直观地感受到准晶的魅力了。