准晶：被双料诺奖得主鲍林斥为Nonsense的伟大发现-黄秀清的博客-科学网

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学者黄秀清 发表于2010-11-16 7:48:17
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准晶：被双料诺奖得主鲍林斥为Nonsense的伟大发现
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Phys. Rev. Lett.，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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