谢赫特曼开辟了固体物质的第三种可能

文/李若夕

谢赫特曼开辟了固体物质的第三种可能

文/李若夕

瑞典皇家科学院10月5日宣布，现年70岁的以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼因发现准晶体独享2011年诺贝尔化学奖。经历过被否定、嘲笑和驱逐，谢赫特曼终于等来了被承认的一天，他的发现，促使科学家们开始重新思考对物质结构的认知。

尘埃落定，准晶的形态也牢牢的镌刻在了众多科学家的心里。正如诺贝尔化学奖评审委员会的解释：“在准晶体内，我们发现，阿拉伯世界令人着迷的马赛克装饰得以在原子层面复制，即常规图案永远不会重复。”

因为坚持所发现的物质，即使顶撞了权威，也从未放弃过研究，这样的事，哥白尼经历过，爱因斯坦也经历过，所以在发布会现场的时候，谢赫特曼才会感到“天崩地裂”，他努力控制自己的情绪，但激动溢于言表。“对我个人而言，这真是一个伟大的日子……对科学而言，是伟大的一天。”

诺贝尔化学奖评选委员会高度评价了谢赫特曼研究的原创性，同时，也对全世界科学家们发出了警告：“即使最伟大的科学家也会陷于传统藩篱的桎梏中，保持开放的头脑、敢于质疑现有认知是科学家最重要的品质。”

关于那些不被接受的争议

谢赫特曼在以色列出生和接受教育，以色列工学院是他研究事业起步的地方。在以色列工学院举行的新闻发布会上，谢赫特曼说：“往事给我的教训是，好科学家是一位谦卑、聆听的科学家，而不是100%地捍卫他在教科书上读到的知识。”

他回忆起过去的那些坎坷经历依然记忆犹新。

1981~1983年，谢赫特曼利用学术休假年来到美国约翰·霍普金斯大学。1982年4月8日，他将铝锰合金熔化后快速冷却以防止其结晶，并在电子显微镜下观察样品中的原子结构。显微镜里，他看到了一张从未见过的电子衍射图模式：这个合金有非同寻常的旋转对称——五边形对称，原子排列有序但结构模式不重复。

在晶体结构中，原子排列模式应该有序且重复，因此这不是标准的晶体结构，与传统观点相违背的准晶体排列规则。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。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，晶体只能出现n=1、2、3、4、6等五种旋转对称轴，不可能出现n=5和n>6次的对称轴。传统的晶体学理论断言，由于受到晶体平移周期性的限制，五次旋转对称是不存在的。

谢赫特曼说，其实，在发现的最初阶段，他自己也觉得难以置信。“不可能有这样的物质存在，”谢赫特曼对自己说。在记录这一发现的笔记本上，谢赫特曼一连标记了3个问号。谢赫特曼不能解释自己所见。准晶体是自然界固体物质中的“另类”，它不具备晶格周期性，却显现长程有序性。他告诉同事发现了一种新的材料结构，同事不相信他，他捍卫自己的观点，却引来了麻烦：研究组组长要求他离开。实验室主管把一本书放在桌上说，“你为什么不读读这个？你所说的是不可能的。”谢赫特曼说：“研究晶体

领域的专家不接受我的发现成果，国际晶体界也不接受。关于我的发现，起初有很大的争议。”直到2003年，谢赫特曼还无法释怀，他说：“两年多时间里，没有人相信我的结果，我被嘲笑……我担心自己的科学，我担心自己的职业生涯。”

研究晶体领域的专家不接受我的发现成果，国际晶体界也不接受。关于我的发现，起初有很大的争议。

从未放弃与权威抗争的日子

幸运的是，谢赫特曼在以色列工学院的同事伊兰·布雷希愿意帮助他发表成果。

小虫骑在摩托车上，一路狂奔，一路乱想，不知不觉到了凌源，到了许沁的抛光部。许沁的抛光部有十来个员工在挥汗如雨地干活，热烘烘的车间里飘荡着青腊和汗水的味道，机器的声音一浪高过一浪，刺耳的嘈杂声大得连对面说话都听不见。

1984年，布雷希建议制作一个20面体的玻璃模型。两人写了一篇包含这个模型和实验结果的论文，当年夏天投给美国《应用物理学期刊》。编辑给他发来了退稿信，理由是文章不适合期刊的读者。成名后的谢赫特曼对此事仍耿耿于怀，他作学术报告时总喜欢把那封退稿信作为第一张透明片，来讽刺那位编辑。

随后，他们将论文转投《冶金学学报》，学报接收了论文却在近一年的时间里都没有发表。后来，谢赫特曼又将论文送给美国标准局著名材料学家约翰·卡恩。卡恩建议精简文章内容、去除模型和实验细节，只包含实验发现。最终，题为《一种长程有序但不具备平移对称性的金属相》论文发表在1984年11月的《物理学评论快报》。

不过，这篇论文仍旧没有打消一些知名科学家对准晶体理论的疑问。当时，颇有名望的美国化学家、晶体学权威、两届诺贝尔奖得主鲍林（Pauling）在一场新闻发布会上说：“谢赫特曼在胡说，没有准晶体这种东西，只有准科学家。”

“不过，他锲而不舍的努力最终迫使科学家们开始重新考虑他们对于物质本质的认识。”诺贝尔化学奖评审委员会说。

成果发表后，世界各地的科学家给他打电话：“我们做出了你做的东西，我们看到了你看到的东西。”

康奈尔大学的物理学家维伊特·埃尔塞说：“考虑到制作这些材料的简单性，在谢赫特曼之前，应该有许多科学家已经见过这种五次对称图形，但是因为这不符合晶体学的严格规定，他们都放弃了所见。”

关于教育不得不说的事

谢赫特曼一直坚持他的观点，直到30年后的诺贝尔化学奖，彻底为他“正名”。谈到他的坚持动力，谢赫特曼说，坚持正确的方向不放弃，就会成功。他认为：“必须要成为某个领域的专家，这是第一位的。当发现某个新事物的时候，首先要确定它确实是新事物，然后再试着解释所看到的。如果相信自己的话，就可以听取他人的意见，但不要被他们误导，不要放弃。对我来说，我知道我是对的。”

谢赫特曼于1941年出生在以色列港口城市特拉维夫，现在是以色列理工学院的教授，同时还在美国能源部埃姆斯实验室从事研究工作，另外还是美国艾奥瓦州立大学的教授。谢赫特曼曾于1998年获得以色列物理学奖，并于第二年获得沃尔夫物理学奖。有媒体报道称，谢赫特曼先后获得几乎所有科学奖项，似乎“独缺”诺贝尔奖。

在以色列，已经有不少科学家获得过诺贝尔奖，这个仅占世界人口0.2%的国家，它的诺贝尔奖获奖者人数已经占了所有诺贝尔奖获奖者的20%以上。在过去的20年里，曾有7名以色列人摘得诺贝尔奖桂冠；而在过去10年里，以色列科学家则5次获得诺贝尔奖。

谢赫特曼认为，以色列的教育体系成就了这些科学家。谢赫特曼说：“我认为，以色列的大学都是很好的大学。工学院的工程学和科学都很好。其他的大学也不错。我们不但有很好的教育，而且我们的教育体系鼓励人们的独创性。”谢赫特曼教授同时指出，教育应当注重培养学生的能力，让他们能够具备各种技能，而不仅仅是局限于书本。学生除了学习数理之外，还应当在文学、艺术、音乐等领域有自己的兴趣和爱好。这些培养要从小做起，也需要优秀的教师。谢赫特曼说：“如果要引导一个人研究科学，或者其他领域，需要从幼儿园开始（培养）。为了实现（这种引导），我们需要优秀的教师，不仅会教学，还会教育。这是一个挑战。”

谢赫特曼教授说，教育的范畴远大于教学，教育还包括价值观的引导，对青少年的鼓励等等。他认为，社会应当投入更多的资金和精力在优秀教师身上，以避免人才流失。谢赫特曼教授用自己的例子来说明优秀教师的重要性。他说，他高中时期的物理老师对他影响甚深。谢赫特曼说：“那是个非常完美的老师。他从伊拉克来到以色列，很有活力，也很严谨。他的黑板上画线的时候，一定是直线。他的希伯来语（发音）很蹩脚，（因为）他是跟着字典读的。有一天，他把我叫到黑板前，他在黑板上画了一个带电阻的电路图，让我解答。我解决了这个问题。他对我说，‘丹懂物理’。17岁的我，记住了这句话。”

另类的“准晶体”用途广泛

美国《纽约时报》网站10月5日的报道称，1982年，谢赫特曼在进行“衍射光栅”实验时，让电子通过铝锰合金进行衍射，结果发现无数个同心圆各被10个光点包围，恰恰就是一个10次对称。谢赫特曼当时认为“这是不可能的”，还在笔记本上写道：“10次？”

然而，1987年，法国和日本科学家成功地在实验室中制造出了准晶体结构。至此，谢赫特曼的理论终于得到科学界的认可。现在他的发现已经使得准晶体成为物理学家、材料学家、数学家以及晶体学家的重要研究领域。

1992年，国际结晶学联盟改写了结晶的定义，从“有序、重复的原子阵列”改为“任何有离散衍射模型的固体”。2009年，科学家们在俄罗斯东部哈泰尔卡湖获取的矿物样本中发现了天然准晶体的“芳踪”，这块合金采自俄罗斯科里亚克山上2亿年历史的岩石中。这种名为icosahedrite（取自正二十面体）的新矿物质由铝、铜和铁组成；瑞典一家公司也在一种耐用性最强的钢中发现了准晶体，这种钢目前被用于剃须刀片和眼科手术用的手术针中。

其实，这些图案早已有之。科学家们在14世纪摩尔人于西班牙建立的阿尔汉布拉宫和15世纪修建的伊朗Darb-i Imam清真寺内都发现了这种图案，它们也大量出现在荷兰画家摩里茨·科奈里斯·埃舍尔的艺术作品中。不过，科学家们一直认为晶体的原子结构不可能以这种方式排列，谢赫特曼的发现彻底颠覆了人们的这一认知。

这种准晶体也同斐波那契序列有关，在斐波那契序列中，每个数字是前面两个数字之和。1753年，格拉斯哥大学的数学家罗伯特·辛姆森发现，随着数字的增大，两数间的比值越来越接近黄金分割率（一个与圆周率相类似的无限不循环小数，其值约为1.62）。科学家们后来也证明，准晶体中原子间的距离也完全符合黄金分割率。

据英国《新科学家》网站10月5日报道，准晶体具有独特的属性，坚硬又有弹性、非常平滑，而且，与大多数金属不同的是，其导电、导热性很差，因此在日常生活中大有用武之地。科学家正尝试将其应用于其他产品中，比如不粘锅和发光二极管等。另外，尽管其导热性很差，但因为其能将热转化为电，因此，它们可以用作理想的热电材料，将热量回收利用，有些科学家正在尝试用其捕捉汽车废弃的热量。

“准晶体的应用还有待于进一步开发。”谢赫特曼爱荷华州立大学的同事、同样研究准晶体的派翠西亚·泰尔接受《纽约时报》采访时表示，“但准晶体改变了我们对固体中原子结构的理解，这是一个具有革命性的科学发现。”

谢赫特曼将诺贝尔奖的荣誉归于所有的科学工作者。他说：“如果没有全世界科学家的智慧和汗水，科学不会进步至此，不会如今日般欣欣向荣。”