文/李若夕

謝赫特曼開辟了固體物質(zhì)的第三種可能

文/李若夕

瑞典皇家科學(xué)院10月5日宣布，現(xiàn)年70歲的以色列科學(xué)家達(dá)尼埃爾·謝赫特曼因發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體獨(dú)享2011年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。經(jīng)歷過被否定、嘲笑和驅(qū)逐，謝赫特曼終于等來了被承認(rèn)的一天，他的發(fā)現(xiàn)，促使科學(xué)家們開始重新思考對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。

塵埃落定，準(zhǔn)晶的形態(tài)也牢牢的鐫刻在了眾多科學(xué)家的心里。正如諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)的解釋：“在準(zhǔn)晶體內(nèi)，我們發(fā)現(xiàn)，阿拉伯世界令人著迷的馬賽克裝飾得以在原子層面復(fù)制，即常規(guī)圖案永遠(yuǎn)不會(huì)重復(fù)?！?/p>

因?yàn)閳?jiān)持所發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)，即使頂撞了權(quán)威，也從未放棄過研究，這樣的事，哥白尼經(jīng)歷過，愛因斯坦也經(jīng)歷過，所以在發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)候，謝赫特曼才會(huì)感到“天崩地裂”，他努力控制自己的情緒，但激動(dòng)溢于言表。“對(duì)我個(gè)人而言，這真是一個(gè)偉大的日子……對(duì)科學(xué)而言，是偉大的一天?！?/p>

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)高度評(píng)價(jià)了謝赫特曼研究的原創(chuàng)性，同時(shí)，也對(duì)全世界科學(xué)家們發(fā)出了警告：“即使最偉大的科學(xué)家也會(huì)陷于傳統(tǒng)藩籬的桎梏中，保持開放的頭腦、敢于質(zhì)疑現(xiàn)有認(rèn)知是科學(xué)家最重要的品質(zhì)?！?/p>

關(guān)于那些不被接受的爭(zhēng)議

謝赫特曼在以色列出生和接受教育，以色列工學(xué)院是他研究事業(yè)起步的地方。在以色列工學(xué)院舉行的新聞發(fā)布會(huì)上，謝赫特曼說：“往事給我的教訓(xùn)是，好科學(xué)家是一位謙卑、聆聽的科學(xué)家，而不是100%地捍衛(wèi)他在教科書上讀到的知識(shí)?！?/p>

他回憶起過去的那些坎坷經(jīng)歷依然記憶猶新。

1981~1983年，謝赫特曼利用學(xué)術(shù)休假年來到美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)。1982年4月8日，他將鋁錳合金熔化后快速冷卻以防止其結(jié)晶，并在電子顯微鏡下觀察樣品中的原子結(jié)構(gòu)。顯微鏡里，他看到了一張從未見過的電子衍射圖模式：這個(gè)合金有非同尋常的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱——五邊形對(duì)稱，原子排列有序但結(jié)構(gòu)模式不重復(fù)。

在晶體結(jié)構(gòu)中，原子排列模式應(yīng)該有序且重復(fù)，因此這不是標(biāo)準(zhǔn)的晶體結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)觀點(diǎn)相違背的準(zhǔn)晶體排列規(guī)則。在晶體結(jié)構(gòu)中不允許出現(xiàn)5次和6次以上的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，這是被寫進(jìn)教科書的國(guó)際學(xué)術(shù)界主流觀點(diǎn)，一百多年來沒有人去懷疑它的正確性。早在十九世紀(jì)，德國(guó)科學(xué)家就總結(jié)并通過數(shù)學(xué)嚴(yán)格證明，為了滿足晶體的平移對(duì)稱性，晶體只能出現(xiàn)n=1、2、3、4、6等五種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸，不可能出現(xiàn)n=5和n>6次的對(duì)稱軸。傳統(tǒng)的晶體學(xué)理論斷言，由于受到晶體平移周期性的限制，五次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱是不存在的。

謝赫特曼說，其實(shí)，在發(fā)現(xiàn)的最初階段，他自己也覺得難以置信?！安豢赡苡羞@樣的物質(zhì)存在，”謝赫特曼對(duì)自己說。在記錄這一發(fā)現(xiàn)的筆記本上，謝赫特曼一連標(biāo)記了3個(gè)問號(hào)。謝赫特曼不能解釋自己所見。準(zhǔn)晶體是自然界固體物質(zhì)中的“另類”，它不具備晶格周期性，卻顯現(xiàn)長(zhǎng)程有序性。他告訴同事發(fā)現(xiàn)了一種新的材料結(jié)構(gòu)，同事不相信他，他捍衛(wèi)自己的觀點(diǎn)，卻引來了麻煩：研究組組長(zhǎng)要求他離開。實(shí)驗(yàn)室主管把一本書放在桌上說，“你為什么不讀讀這個(gè)？你所說的是不可能的?！敝x赫特曼說：“研究晶體

領(lǐng)域的專家不接受我的發(fā)現(xiàn)成果，國(guó)際晶體界也不接受。關(guān)于我的發(fā)現(xiàn)，起初有很大的爭(zhēng)議。”直到2003年，謝赫特曼還無法釋懷，他說：“兩年多時(shí)間里，沒有人相信我的結(jié)果，我被嘲笑……我擔(dān)心自己的科學(xué)，我擔(dān)心自己的職業(yè)生涯?！?/p>

研究晶體領(lǐng)域的專家不接受我的發(fā)現(xiàn)成果，國(guó)際晶體界也不接受。關(guān)于我的發(fā)現(xiàn)，起初有很大的爭(zhēng)議。

從未放棄與權(quán)威抗?fàn)幍娜兆?/h2>

幸運(yùn)的是，謝赫特曼在以色列工學(xué)院的同事伊蘭·布雷希愿意幫助他發(fā)表成果。

小蟲騎在摩托車上，一路狂奔，一路亂想，不知不覺到了凌源，到了許沁的拋光部。許沁的拋光部有十來個(gè)員工在揮汗如雨地干活，熱烘烘的車間里飄蕩著青臘和汗水的味道，機(jī)器的聲音一浪高過一浪，刺耳的嘈雜聲大得連對(duì)面說話都聽不見。

1984年，布雷希建議制作一個(gè)20面體的玻璃模型。兩人寫了一篇包含這個(gè)模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的論文，當(dāng)年夏天投給美國(guó)《應(yīng)用物理學(xué)期刊》。編輯給他發(fā)來了退稿信，理由是文章不適合期刊的讀者。成名后的謝赫特曼對(duì)此事仍耿耿于懷，他作學(xué)術(shù)報(bào)告時(shí)總喜歡把那封退稿信作為第一張透明片，來諷刺那位編輯。

隨后，他們將論文轉(zhuǎn)投《冶金學(xué)學(xué)報(bào)》，學(xué)報(bào)接收了論文卻在近一年的時(shí)間里都沒有發(fā)表。后來，謝赫特曼又將論文送給美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局著名材料學(xué)家約翰·卡恩?？ǘ鹘ㄗh精簡(jiǎn)文章內(nèi)容、去除模型和實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，只包含實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。最終，題為《一種長(zhǎng)程有序但不具備平移對(duì)稱性的金屬相》論文發(fā)表在1984年11月的《物理學(xué)評(píng)論快報(bào)》。

不過，這篇論文仍舊沒有打消一些知名科學(xué)家對(duì)準(zhǔn)晶體理論的疑問。當(dāng)時(shí)，頗有名望的美國(guó)化學(xué)家、晶體學(xué)權(quán)威、兩屆諾貝爾獎(jiǎng)得主鮑林（Pauling）在一場(chǎng)新聞發(fā)布會(huì)上說：“謝赫特曼在胡說，沒有準(zhǔn)晶體這種東西，只有準(zhǔn)科學(xué)家?！?/p>

“不過，他鍥而不舍的努力最終迫使科學(xué)家們開始重新考慮他們對(duì)于物質(zhì)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)?！敝Z貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)說。

成果發(fā)表后，世界各地的科學(xué)家給他打電話：“我們做出了你做的東西，我們看到了你看到的東西?！?/p>

康奈爾大學(xué)的物理學(xué)家維伊特·埃爾塞說：“考慮到制作這些材料的簡(jiǎn)單性，在謝赫特曼之前，應(yīng)該有許多科學(xué)家已經(jīng)見過這種五次對(duì)稱圖形，但是因?yàn)檫@不符合晶體學(xué)的嚴(yán)格規(guī)定，他們都放棄了所見?！?/p>

關(guān)于教育不得不說的事

謝赫特曼一直堅(jiān)持他的觀點(diǎn)，直到30年后的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，徹底為他“正名”。談到他的堅(jiān)持動(dòng)力，謝赫特曼說，堅(jiān)持正確的方向不放棄，就會(huì)成功。他認(rèn)為：“必須要成為某個(gè)領(lǐng)域的專家，這是第一位的。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)新事物的時(shí)候，首先要確定它確實(shí)是新事物，然后再試著解釋所看到的。如果相信自己的話，就可以聽取他人的意見，但不要被他們誤導(dǎo)，不要放棄。對(duì)我來說，我知道我是對(duì)的?！?/p>

謝赫特曼于1941年出生在以色列港口城市特拉維夫，現(xiàn)在是以色列理工學(xué)院的教授，同時(shí)還在美國(guó)能源部埃姆斯實(shí)驗(yàn)室從事研究工作，另外還是美國(guó)艾奧瓦州立大學(xué)的教授。謝赫特曼曾于1998年獲得以色列物理學(xué)獎(jiǎng)，并于第二年獲得沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)。有媒體報(bào)道稱，謝赫特曼先后獲得幾乎所有科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)，似乎“獨(dú)缺”諾貝爾獎(jiǎng)。

在以色列，已經(jīng)有不少科學(xué)家獲得過諾貝爾獎(jiǎng)，這個(gè)僅占世界人口0.2%的國(guó)家，它的諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)呷藬?shù)已經(jīng)占了所有諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)叩?0%以上。在過去的20年里，曾有7名以色列人摘得諾貝爾獎(jiǎng)桂冠；而在過去10年里，以色列科學(xué)家則5次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

謝赫特曼認(rèn)為，以色列的教育體系成就了這些科學(xué)家。謝赫特曼說：“我認(rèn)為，以色列的大學(xué)都是很好的大學(xué)。工學(xué)院的工程學(xué)和科學(xué)都很好。其他的大學(xué)也不錯(cuò)。我們不但有很好的教育，而且我們的教育體系鼓勵(lì)人們的獨(dú)創(chuàng)性?！敝x赫特曼教授同時(shí)指出，教育應(yīng)當(dāng)注重培養(yǎng)學(xué)生的能力，讓他們能夠具備各種技能，而不僅僅是局限于書本。學(xué)生除了學(xué)習(xí)數(shù)理之外，還應(yīng)當(dāng)在文學(xué)、藝術(shù)、音樂等領(lǐng)域有自己的興趣和愛好。這些培養(yǎng)要從小做起，也需要優(yōu)秀的教師。謝赫特曼說：“如果要引導(dǎo)一個(gè)人研究科學(xué)，或者其他領(lǐng)域，需要從幼兒園開始（培養(yǎng)）。為了實(shí)現(xiàn)（這種引導(dǎo)），我們需要優(yōu)秀的教師，不僅會(huì)教學(xué)，還會(huì)教育。這是一個(gè)挑戰(zhàn)?！?/p>

謝赫特曼教授說，教育的范疇遠(yuǎn)大于教學(xué)，教育還包括價(jià)值觀的引導(dǎo)，對(duì)青少年的鼓勵(lì)等等。他認(rèn)為，社會(huì)應(yīng)當(dāng)投入更多的資金和精力在優(yōu)秀教師身上，以避免人才流失。謝赫特曼教授用自己的例子來說明優(yōu)秀教師的重要性。他說，他高中時(shí)期的物理老師對(duì)他影響甚深。謝赫特曼說：“那是個(gè)非常完美的老師。他從伊拉克來到以色列，很有活力，也很嚴(yán)謹(jǐn)。他的黑板上畫線的時(shí)候，一定是直線。他的希伯來語（發(fā)音）很蹩腳，（因?yàn)椋┧歉值渥x的。有一天，他把我叫到黑板前，他在黑板上畫了一個(gè)帶電阻的電路圖，讓我解答。我解決了這個(gè)問題。他對(duì)我說，‘丹懂物理’。17歲的我，記住了這句話?！?/p>

另類的“準(zhǔn)晶體”用途廣泛

美國(guó)《紐約時(shí)報(bào)》網(wǎng)站10月5日的報(bào)道稱，1982年，謝赫特曼在進(jìn)行“衍射光柵”實(shí)驗(yàn)時(shí)，讓電子通過鋁錳合金進(jìn)行衍射，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無數(shù)個(gè)同心圓各被10個(gè)光點(diǎn)包圍，恰恰就是一個(gè)10次對(duì)稱。謝赫特曼當(dāng)時(shí)認(rèn)為“這是不可能的”，還在筆記本上寫道：“10次？”

然而，1987年，法國(guó)和日本科學(xué)家成功地在實(shí)驗(yàn)室中制造出了準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)。至此，謝赫特曼的理論終于得到科學(xué)界的認(rèn)可。現(xiàn)在他的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)使得準(zhǔn)晶體成為物理學(xué)家、材料學(xué)家、數(shù)學(xué)家以及晶體學(xué)家的重要研究領(lǐng)域。

1992年，國(guó)際結(jié)晶學(xué)聯(lián)盟改寫了結(jié)晶的定義，從“有序、重復(fù)的原子陣列”改為“任何有離散衍射模型的固體”。2009年，科學(xué)家們?cè)诙砹_斯東部哈泰爾卡湖獲取的礦物樣本中發(fā)現(xiàn)了天然準(zhǔn)晶體的“芳蹤”，這塊合金采自俄羅斯科里亞克山上2億年歷史的巖石中。這種名為icosahedrite（取自正二十面體）的新礦物質(zhì)由鋁、銅和鐵組成；瑞典一家公司也在一種耐用性最強(qiáng)的鋼中發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶體，這種鋼目前被用于剃須刀片和眼科手術(shù)用的手術(shù)針中。

其實(shí)，這些圖案早已有之?？茖W(xué)家們?cè)?4世紀(jì)摩爾人于西班牙建立的阿爾漢布拉宮和15世紀(jì)修建的伊朗Darb-i Imam清真寺內(nèi)都發(fā)現(xiàn)了這種圖案，它們也大量出現(xiàn)在荷蘭畫家摩里茨·科奈里斯·埃舍爾的藝術(shù)作品中。不過，科學(xué)家們一直認(rèn)為晶體的原子結(jié)構(gòu)不可能以這種方式排列，謝赫特曼的發(fā)現(xiàn)徹底顛覆了人們的這一認(rèn)知。

這種準(zhǔn)晶體也同斐波那契序列有關(guān)，在斐波那契序列中，每個(gè)數(shù)字是前面兩個(gè)數(shù)字之和。1753年，格拉斯哥大學(xué)的數(shù)學(xué)家羅伯特·辛姆森發(fā)現(xiàn)，隨著數(shù)字的增大，兩數(shù)間的比值越來越接近黃金分割率（一個(gè)與圓周率相類似的無限不循環(huán)小數(shù)，其值約為1.62）?？茖W(xué)家們后來也證明，準(zhǔn)晶體中原子間的距離也完全符合黃金分割率。

據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》網(wǎng)站10月5日?qǐng)?bào)道，準(zhǔn)晶體具有獨(dú)特的屬性，堅(jiān)硬又有彈性、非常平滑，而且，與大多數(shù)金屬不同的是，其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性很差，因此在日常生活中大有用武之地?？茖W(xué)家正嘗試將其應(yīng)用于其他產(chǎn)品中，比如不粘鍋和發(fā)光二極管等。另外，盡管其導(dǎo)熱性很差，但因?yàn)槠淠軐徂D(zhuǎn)化為電，因此，它們可以用作理想的熱電材料，將熱量回收利用，有些科學(xué)家正在嘗試用其捕捉汽車廢棄的熱量。

“準(zhǔn)晶體的應(yīng)用還有待于進(jìn)一步開發(fā)。”謝赫特曼愛荷華州立大學(xué)的同事、同樣研究準(zhǔn)晶體的派翠西亞·泰爾接受《紐約時(shí)報(bào)》采訪時(shí)表示，“但準(zhǔn)晶體改變了我們對(duì)固體中原子結(jié)構(gòu)的理解，這是一個(gè)具有革命性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)?！?/p>

謝赫特曼將諾貝爾獎(jiǎng)的榮譽(yù)歸于所有的科學(xué)工作者。他說：“如果沒有全世界科學(xué)家的智慧和汗水，科學(xué)不會(huì)進(jìn)步至此，不會(huì)如今日般欣欣向榮?！?/p>