謝赫特曼開辟了固體物質的第三種可能

文/李若夕

謝赫特曼開辟了固體物質的第三種可能

文/李若夕

瑞典皇家科學院10月5日宣布，現年70歲的以色列科學家達尼埃爾·謝赫特曼因發現準晶體獨享2011年諾貝爾化學獎。經歷過被否定、嘲笑和驅逐，謝赫特曼終于等來了被承認的一天，他的發現，促使科學家們開始重新思考對物質結構的認知。

塵埃落定，準晶的形態也牢牢的鐫刻在了眾多科學家的心里。正如諾貝爾化學獎評審委員會的解釋：“在準晶體內，我們發現，阿拉伯世界令人著迷的馬賽克裝飾得以在原子層面復制，即常規圖案永遠不會重復。”

因為堅持所發現的物質，即使頂撞了權威，也從未放棄過研究，這樣的事，哥白尼經歷過，愛因斯坦也經歷過，所以在發布會現場的時候，謝赫特曼才會感到“天崩地裂”，他努力控制自己的情緒，但激動溢于言表。“對我個人而言，這真是一個偉大的日子……對科學而言，是偉大的一天。”

諾貝爾化學獎評選委員會高度評價了謝赫特曼研究的原創性，同時，也對全世界科學家們發出了警告：“即使最偉大的科學家也會陷于傳統藩籬的桎梏中，保持開放的頭腦、敢于質疑現有認知是科學家最重要的品質。”

關于那些不被接受的爭議

謝赫特曼在以色列出生和接受教育，以色列工學院是他研究事業起步的地方。在以色列工學院舉行的新聞發布會上，謝赫特曼說：“往事給我的教訓是，好科學家是一位謙卑、聆聽的科學家，而不是100%地捍衛他在教科書上讀到的知識。”

他回憶起過去的那些坎坷經歷依然記憶猶新。

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

在晶體結構中，原子排列模式應該有序且重復，因此這不是標準的晶體結構，與傳統觀點相違背的準晶體排列規則。在晶體結構中不允許出現5次和6次以上的旋轉對稱性，這是被寫進教科書的國際學術界主流觀點，一百多年來沒有人去懷疑它的正確性。早在十九世紀，德國科學家就總結并通過數學嚴格證明，為了滿足晶體的平移對稱性，晶體只能出現n=1、2、3、4、6等五種旋轉對稱軸，不可能出現n=5和n>6次的對稱軸。傳統的晶體學理論斷言，由于受到晶體平移周期性的限制，五次旋轉對稱是不存在的。

謝赫特曼說，其實，在發現的最初階段，他自己也覺得難以置信。“不可能有這樣的物質存在，”謝赫特曼對自己說。在記錄這一發現的筆記本上，謝赫特曼一連標記了3個問號。謝赫特曼不能解釋自己所見。準晶體是自然界固體物質中的“另類”，它不具備晶格周期性，卻顯現長程有序性。他告訴同事發現了一種新的材料結構，同事不相信他，他捍衛自己的觀點，卻引來了麻煩：研究組組長要求他離開。實驗室主管把一本書放在桌上說，“你為什么不讀讀這個？你所說的是不可能的。”謝赫特曼說：“研究晶體

領域的專家不接受我的發現成果，國際晶體界也不接受。關于我的發現，起初有很大的爭議。”直到2003年，謝赫特曼還無法釋懷，他說：“兩年多時間里，沒有人相信我的結果，我被嘲笑……我擔心自己的科學，我擔心自己的職業生涯。”

研究晶體領域的專家不接受我的發現成果，國際晶體界也不接受。關于我的發現，起初有很大的爭議。

從未放棄與權威抗爭的日子

幸運的是，謝赫特曼在以色列工學院的同事伊蘭·布雷希愿意幫助他發表成果。

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，機器的聲音一浪高過一浪，刺耳的嘈雜聲大得連對面說話都聽不見。

1984年，布雷希建議制作一個20面體的玻璃模型。兩人寫了一篇包含這個模型和實驗結果的論文，當年夏天投給美國《應用物理學期刊》。編輯給他發來了退稿信，理由是文章不適合期刊的讀者。成名后的謝赫特曼對此事仍耿耿于懷，他作學術報告時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，他們將論文轉投《冶金學學報》，學報接收了論文卻在近一年的時間里都沒有發表。后來，謝赫特曼又將論文送給美國標準局著名材料學家約翰·卡恩。卡恩建議精簡文章內容、去除模型和實驗細節，只包含實驗發現。最終，題為《一種長程有序但不具備平移對稱性的金屬相》論文發表在1984年11月的《物理學評論快報》。

不過，這篇論文仍舊沒有打消一些知名科學家對準晶體理論的疑問。當時，頗有名望的美國化學家、晶體學權威、兩屆諾貝爾獎得主鮑林（Pauling）在一場新聞發布會上說：“謝赫特曼在胡說，沒有準晶體這種東西，只有準科學家。”

“不過，他鍥而不舍的努力最終迫使科學家們開始重新考慮他們對于物質本質的認識。”諾貝爾化學獎評審委員會說。

成果發表后，世界各地的科學家給他打電話：“我們做出了你做的東西，我們看到了你看到的東西。”

康奈爾大學的物理學家維伊特·埃爾塞說：“考慮到制作這些材料的簡單性，在謝赫特曼之前，應該有許多科學家已經見過這種五次對稱圖形，但是因為這不符合晶體學的嚴格規定，他們都放棄了所見。”

關于教育不得不說的事

謝赫特曼一直堅持他的觀點，直到30年后的諾貝爾化學獎，徹底為他“正名”。談到他的堅持動力，謝赫特曼說，堅持正確的方向不放棄，就會成功。他認為：“必須要成為某個領域的專家，這是第一位的。當發現某個新事物的時候，首先要確定它確實是新事物，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，不要放棄。對我來說，我知道我是對的。”

謝赫特曼于1941年出生在以色列港口城市特拉維夫，現在是以色列理工學院的教授，同時還在美國能源部埃姆斯實驗室從事研究工作，另外還是美國艾奧瓦州立大學的教授。謝赫特曼曾于1998年獲得以色列物理學獎，并于第二年獲得沃爾夫物理學獎。有媒體報道稱，謝赫特曼先后獲得幾乎所有科學獎項，似乎“獨缺”諾貝爾獎。

在以色列，已經有不少科學家獲得過諾貝爾獎，這個僅占世界人口0.2%的國家，它的諾貝爾獎獲獎者人數已經占了所有諾貝爾獎獲獎者的20%以上。在過去的20年里，曾有7名以色列人摘得諾貝爾獎桂冠；而在過去10年里，以色列科學家則5次獲得諾貝爾獎。

謝赫特曼認為，以色列的教育體系成就了這些科學家。謝赫特曼說：“我認為，以色列的大學都是很好的大學。工學院的工程學和科學都很好。其他的大學也不錯。我們不但有很好的教育，而且我們的教育體系鼓勵人們的獨創性。”謝赫特曼教授同時指出，教育應當注重培養學生的能力，讓他們能夠具備各種技能，而不僅僅是局限于書本。學生除了學習數理之外，還應當在文學、藝術、音樂等領域有自己的興趣和愛好。這些培養要從小做起，也需要優秀的教師。謝赫特曼說：“如果要引導一個人研究科學，或者其他領域，需要從幼兒園開始（培養）。為了實現（這種引導），我們需要優秀的教師，不僅會教學，還會教育。這是一個挑戰。”

謝赫特曼教授說，教育的范疇遠大于教學，教育還包括價值觀的引導，對青少年的鼓勵等等。他認為，社會應當投入更多的資金和精力在優秀教師身上，以避免人才流失。謝赫特曼教授用自己的例子來說明優秀教師的重要性。他說，他高中時期的物理老師對他影響甚深。謝赫特曼說：“那是個非常完美的老師。他從伊拉克來到以色列，很有活力，也很嚴謹。他的黑板上畫線的時候，一定是直線。他的希伯來語（發音）很蹩腳，（因為）他是跟著字典讀的。有一天，他把我叫到黑板前，他在黑板上畫了一個帶電阻的電路圖，讓我解答。我解決了這個問題。他對我說，‘丹懂物理’。17歲的我，記住了這句話。”

另類的“準晶體”用途廣泛

美國《紐約時報》網站10月5日的報道稱，1982年，謝赫特曼在進行“衍射光柵”實驗時，讓電子通過鋁錳合金進行衍射，結果發現無數個同心圓各被10個光點包圍，恰恰就是一個10次對稱。謝赫特曼當時認為“這是不可能的”，還在筆記本上寫道：“10次？”

然而，1987年，法國和日本科學家成功地在實驗室中制造出了準晶體結構。至此，謝赫特曼的理論終于得到科學界的認可。現在他的發現已經使得準晶體成為物理學家、材料學家、數學家以及晶體學家的重要研究領域。

1992年，國際結晶學聯盟改寫了結晶的定義，從“有序、重復的原子陣列”改為“任何有離散衍射模型的固體”。2009年，科學家們在俄羅斯東部哈泰爾卡湖獲取的礦物樣本中發現了天然準晶體的“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）的新礦物質由鋁、銅和鐵組成；瑞典一家公司也在一種耐用性最強的鋼中發現了準晶體，這種鋼目前被用于剃須刀片和眼科手術用的手術針中。

其實，這些圖案早已有之。科學家們在14世紀摩爾人于西班牙建立的阿爾漢布拉宮和15世紀修建的伊朗Darb-i Imam清真寺內都發現了這種圖案，它們也大量出現在荷蘭畫家摩里茨·科奈里斯·埃舍爾的藝術作品中。不過，科學家們一直認為晶體的原子結構不可能以這種方式排列，謝赫特曼的發現徹底顛覆了人們的這一認知。

這種準晶體也同斐波那契序列有關，在斐波那契序列中，每個數字是前面兩個數字之和。1753年，格拉斯哥大學的數學家羅伯特·辛姆森發現，隨著數字的增大，兩數間的比值越來越接近黃金分割率（一個與圓周率相類似的無限不循環小數，其值約為1.62）。科學家們后來也證明，準晶體中原子間的距離也完全符合黃金分割率。

據英國《新科學家》網站10月5日報道，準晶體具有獨特的屬性，堅硬又有彈性、非常平滑，而且，與大多數金屬不同的是，其導電、導熱性很差，因此在日常生活中大有用武之地。科學家正嘗試將其應用于其他產品中，比如不粘鍋和發光二極管等。另外，盡管其導熱性很差，但因為其能將熱轉化為電，因此，它們可以用作理想的熱電材料，將熱量回收利用，有些科學家正在嘗試用其捕捉汽車廢棄的熱量。

“準晶體的應用還有待于進一步開發。”謝赫特曼愛荷華州立大學的同事、同樣研究準晶體的派翠西亞·泰爾接受《紐約時報》采訪時表示，“但準晶體改變了我們對固體中原子結構的理解，這是一個具有革命性的科學發現。”

謝赫特曼將諾貝爾獎的榮譽歸于所有的科學工作者。他說：“如果沒有全世界科學家的智慧和汗水，科學不會進步至此，不會如今日般欣欣向榮。”