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准晶:被双料诺奖得主鲍林斥为Nonsense的伟大发现
发布时间:2011-10-08 16:09:58
黄秀清网络博文:

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重大的科学发现往往是偶然的,有时候还需要运气,原始创新思想,不是靠智者们指南规划出来,更不是靠金钱烧出来,它或许仅仅是平凡者的神来之笔?创新需要勇气,是你死我活的战争,不是你不幸被权威踩死,就是你把权威拉下神坛,不要迷信权威,知识越多越糊涂,威望越高越保守。
 
一. 神秘的对称性
        在自然界中,很多固体物质都是以晶体的方式存在,它们在宏观上表现出特定的对称性。早在十九世纪,德国科学家就总结并通过数学严格证明,为了满足晶体的平移对称性(长程序),晶体只能出现n=1、2、3、4、6等五种旋转对称轴(相应的转角为2π/n),不可能出现n=5和n>6次的对称轴。这种抽象的数学描述可以通过下图进行直观的描述,它们分别表示用平行四边形、长方形和正3-8多边形“元胞”铺平面空间,不难看出,1-4和6次旋转对称的图能够无间隙、不重叠地铺满整个平面空间,但5、7和8次对称的多边形不能够做到这一点。在晶体结构中不允许出现5次和6次以上的旋转对称性,这是被写进教科书的国际学术界主流观点,一百多年来没有人去怀疑它的正确性,即使在实验中偶然发现那些被理论禁止的晶体对称结构,人们首先怀疑的是实验的可靠性,而不是理论是否有问题。

【思考一:主流学术界公认的就是真理吗?数学严格证明的就是正确吗?】

二. 数学游戏
        数学家才不管具体的晶体对称性,他们可以像小孩一样玩拼图游戏。进入20世纪,很多人对“非周期的平面铺砌”产生兴趣,所谓非周期铺砌(后来被称为准周期铺砌),是指铺砌的图形整体丧失平移对称性(没有长程序),但图形整体存在某种旋转对称性(取向序)。人们首先考虑的是如何拼出具有五次旋转对称性的平面图形,数学家起初证明要实现这个目的,必须用20426种不同现状的花砖!后来证明只需104种,1971年进一步减少到下图a的6种,1974年Penrose证明用72°和36°的两种菱形,按照一定的衔接规则就可以实现具有5次旋转对称的非周期铺砌,如下图b所示。陆续有研究者对其它旋转对称性的图形实现了非周期铺砌,如图c的八次对称性和图d的十二次对称性。在兴趣驱动下,数学家还发展了多种能直接产生非周期铺砌的方法,比如,高维空间投影法,对偶方法,自相似膨胀法等等。1995年德国科学家提出覆盖理论,该理论设想用一种画有特殊图案的花砖(如图e所示的绿色边框十边形)实现非周期铺砌,这个理论结果后来被很多实验验证。
 
 
        基于二维的Penrose拼砌,Steinhardt把游戏玩到三维空间,他发现利用三基矢夹角分别为63.43°和116.57°的两种菱形六面体(如下图所示),可以构造出三维的Penrose准周期结构。选择不同的构造方式,可得如图所示的正五边形十二面体、正三角形二十面体和菱形三十面体等结构,虽然它们外观不同,但它们拥有完全相同的旋转对称性(六个5次轴、十个3次轴和十五个2次轴),由于它们都包含传统晶体理论所不允许的5次轴,晶体学家认为这些对称结构不过是数学游戏。事实上,这样的对称结构不仅存在于人们的日常生活中(如足球)还存在于自然中(如下图的碳60和病毒)。
  
 
【思考二:我们为什么不能用玩的心态玩科学?当所有人拼热点、前沿,追SCI、影响因子,
争科研经费、项目的时候,不妨静下心来玩玩科学!】

三. 准晶的发现
        1982年,两位主要从事航空用高强度铝合金研究的以色列科学家Shechtman和Blech,又是以色列人!他们无意中在急冷Al6Mn合金中发现五次对称衍射图,由于两人的晶体学基础一般,就到处请教晶体学专家,专家们认为那不过是晶体学中常见的五次孪晶,抱着试试看的态度,他们还是决定把文章寄到美国《应用物理杂志》,不幸被不识货的杂志编辑直接退稿,成名后的Shechtman对此事仍耿耿于怀,他作学术报告时总喜欢把那封退稿信作为第一张透明片,来讽刺那位有眼无珠的编辑。后来他们又去请教法国CNRS冶金化学研究所的D. Gratias,由于实验结果与传统晶体学的周期性相矛盾,Gratias认为很难被主流接受发表。1984年秋,Gratias在加州大学的一次理论物理讨论会中听了Steinhardt的报告,发现他们关于二十面体理论模型的衍射花样(下图左)与Shechtman等人的实验结果(下图右)完全一致,两人会后这么一碰,火花就出来了,他们决定把理论和实验结果同时寄到物理学最权威的 Physical Review Letters,独具慧眼的编辑让两篇文章以最快的速度先后发表,从此准晶(Quasicrystal)这个新名称诞生了。Shechtman也因为准晶的发现,获得了除了诺贝尔奖之外的几乎所有科学奖励。
 
        准晶的发现引发了上世纪八十年代全球性的准晶热,中日美成为引领准晶研究的三驾马车,各种准晶材料和结构被发现(下图分别是三十面体和十二面体准晶),当然,也有不少研究者“顿足捶胸”,这不是自己N年前就发现的东西吗?准晶的发现也刺激了某些权威的神经,以双料诺贝尔奖获得者鲍林(Pauling:1954年诺贝尔化学奖,1962年和平奖,1995年去世)为代表的保守势力,要誓死捍卫传统晶体理论的“纯洁性”,他们认为所谓准晶就是众人皆知的孪晶,在Nature发文用“Nonsense”这个词形容准晶的发现,并利用自己的特殊身份在美国科学院院报上连发檄文,歇斯底里地反对准晶,可叹,老先生晚节不保。
 
 【思考三:重大科学发现往往是偶然的,不是科学指南可以规划出来的,也不是用钱可以换来的,把科学创新的希望和赌注完全压在那些钦定的人才身上,是极其不科学。权威是过去时,权威人士有时候是阻碍科学创新的最大阻力和绊脚石,要创新不要迷信权威,这一点以色列人比我们强多了!】

四. 中国人的贡献
        Shechtman等人的文章是1984年11月12日刊登出来,几乎是同时,我国著名科学家郭可信院士手下大将张泽,在过渡族金属合金中也独立地发现了五次对称电子衍射图,不过遗憾地与“第一名”擦肩而过,可是我在想,如果没有以色列科学家锲而不舍的努力,中国人的首次发现能被承认和发表吗?在郭可信先生的领导下,他的学生还先后发现了二维八次对称准晶和十二次对称准晶,并在国际上首次生长出毫米级的十次稳定准晶单晶。郭可信院士的研究团队因发现五次对称及Ti2Ni准晶获得1987年国家自然科学一等奖,他的四位学生也因为相关研究先后荣获第一和第二届吴健雄物理奖。准晶的发现,创造了中国科学的一个奇迹,被认为是真正达到国际水平的一项研究,这个项目的研究不仅培养了一大批青年科学家,还“培养”了四位中国科学院院士,他们是叶恒强、李方华、张殿林和张泽院士。
        奇迹的创造绝非偶然的,郭可信院士曾经用“四十多年前播下的种子,四十年后才收成”来描述创造奇迹的艰难历程,本人曾有机会见到郭先生亲手绘制的一张“秘密作战图”,对手下学生进行了科学部署和周密安排,对具体的合金成分和可能产生的准晶相都进行了详细说明,他的一位学生是这样评价的:“郭先生不会帮你挖金子,不过他会告诉你金矿在哪里!”

【思考四:在科学发现中,中国人为什么总是与“第一”擦肩而过?在不少研究领域,我们已经达到可以跟踪国际热点的水平,可我们什么时候可以创造研究热点,让外国人来跟踪?国家科研基金在支持开展国际前沿课题研究的同时,如何支持那些由中国人创造、将来有可能成为国际前沿的研究课题?】

        准晶之谜还没有完全被揭开,特别在二维准晶中,八次、十次和十二次等偶数对称性的准晶先后被发现,奇怪的是,五次(它与二十面体的五次对称性不同)、七次、九次、十一次等奇数对称性的二维准晶一直没有被发现。十几年前本人曾考虑过这个问题,并与郭可信先生进行过讨论,我认为这种奇、偶对称性不守恒是自然界所固有的,郭先生倾向于将来会在实验中发现奇数次的二维准晶,不过,他认为如果能够从理论上严格证明这种对称的不守恒性,应该是非常重要的工作,虽然本人已不再从事这方面的研究,时不时还在琢磨这个至今未解的自然之谜。




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