準(zhǔn)晶，我先發(fā)現(xiàn)的但沒告訴導(dǎo)師，因為畢業(yè)比諾獎重要

準(zhǔn)晶，是一種介于晶體和非晶體之間的固體，它是由一位叫達尼埃爾·舍特曼的以色列物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)的。1982年4月8日，舍特曼在觀察一種錳鋁合金的時候，發(fā)現(xiàn)在自己的電子顯微鏡上，出現(xiàn)了一種旋轉(zhuǎn)36°對稱的圖形。沒過多久，他又在合金中發(fā)現(xiàn)了一種72°旋轉(zhuǎn)對稱的圖形，類似于下面兩幅圖。




多么美妙的圖案啊，而且從未被人發(fā)現(xiàn)過。他認(rèn)為這種晶體是傳統(tǒng)晶體和非晶體之間的一種，于是將這種從未見過的固體命名為準(zhǔn)晶，興沖沖地寫了一篇論文投遞給大牛期刊 Journal of Applied Physics（JAP）。然而，兩年后，被期刊斷然拒絕，拒絕的理由是↓↓




發(fā)表過無數(shù)重要發(fā)現(xiàn)的著名核心期刊 JAP 的固執(zhí)令人震驚，并且完全沒有松動的意思。

而現(xiàn)如今，準(zhǔn)晶已經(jīng)成為了一大研究方向。2011年，瑞典皇家物理學(xué)院將諾貝爾化學(xué)獎頒給舍特曼，以鼓勵他為準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)做出巨大貢獻。準(zhǔn)晶作為新世紀(jì)的一大寵兒，憑借其獨特的性質(zhì)，在各大核心刊物上，占據(jù)了不少席位。但是，我們回頭看1984年的 JAP，未免會感到疑惑，為何當(dāng)年的 JAP 會如此固步自封呢？

這個故事就說來話長了。

很久以前，人們便發(fā)現(xiàn)，在很多固體的內(nèi)部，原子常常按一定規(guī)律排列，這種排列方式在一定程度上決定了固體的性質(zhì)。人們將內(nèi)部排列有規(guī)律的稱之為晶體，而無規(guī)律的，則稱之為非晶體。人們認(rèn)識到，晶體的內(nèi)部不僅具有平移對稱性，還具有旋轉(zhuǎn)對稱性，而非晶體僅僅具有短程有序性，即局部區(qū)域中有序。在很長一段時間里，人們認(rèn)為，世界上只有這兩種固體，晶體和非晶體。

從旋轉(zhuǎn)對稱性來說，依照傳統(tǒng)晶體觀點，晶體的二維圖的對稱軸應(yīng)該只有五種，1、2、3、4、6條。像舍特曼得到的5次對稱軸和10次對稱軸，從晶體理論上來說，是不可能存在的。因為從數(shù)學(xué)的角度上說，這種5次對稱軸和10次對稱軸得到的圖案，不可能形成既平移對稱又旋轉(zhuǎn)對稱的圖形。That’s impossible!

不存在5次和大于6次對稱軸的晶體，這種學(xué)界主流公認(rèn)晶體觀點被寫進教科書，一百年都沒有人懷疑過。

基于這種晶體理論，面對舍特勒的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時著名的諾貝爾化學(xué)獎和諾貝爾和平獎獲得者萊納斯鮑林發(fā)表了著名言論：“這個世界上沒有準(zhǔn)晶，只有蹩腳的科學(xué)家?！彼J(rèn)定準(zhǔn)晶是不存在的，舍特曼的發(fā)現(xiàn)其實是晶體的孿晶，作為當(dāng)時的學(xué)術(shù)大牛，他的言論給舍特曼帶來了巨大的壓力。

面對阻力，舍特曼沒有放棄自己的研究，他先是把論文投給了另一家期刊 Physical Review Letters（PRL），一邊將自己的成果拿去美國，尋求美國科學(xué)共同體內(nèi)的廣泛認(rèn)同。幸運的是，PRL遠比JAP要靈活的多，獨具慧眼的編輯決定讓這篇文章盡快發(fā)表出來。隨后不久，相關(guān)的類似晶體研究（來自日本，中國，美國）迅速占領(lǐng)了大家的眼球，準(zhǔn)晶正式成為固體大家族的一員，開始炙手可熱的時代。

再過回頭來，讓我們看一眼這張圖：




可以看出，很明顯，圖的細節(jié)上是非周期性的，它確實不像傳統(tǒng)的晶體模型，能提取一種無限重復(fù)的圖案。但是整體來看，它又具有明顯的規(guī)律性。這種由非周期性的圖案鋪滿整個平面的構(gòu)思，來自于和舍特曼同時期的英國數(shù)學(xué)家彭羅斯。如下圖中，兩種不同的圖形制成的整個平面的平鋪圖，便是大名鼎鼎的彭羅斯拼圖。彭羅斯拼圖跳出了傳統(tǒng)的正方形拼圖的觀念，巧妙地采用了一系列非周期性的磚組，構(gòu)成了一系列規(guī)則的圖案。這從數(shù)學(xué)的角度，有力地證明了準(zhǔn)晶存在的可能性，肯定了舍特曼的工作。彭羅斯本人也獲得了1988年的沃爾夫獎，這是數(shù)學(xué)界的最高獎之一。




一直以來，準(zhǔn)晶的反對者一直堅持一種觀點，舍特曼做出準(zhǔn)晶的衍射圖樣是電子衍射圖，沒有X射線衍射圖就什么都不是。我們今天知道X射線衍射和電子衍射從原理上說沒什么區(qū)別，但是當(dāng)時的權(quán)威卻對這樣的反對堅信不疑。86年后，法國的一個組花了三年時間做出了準(zhǔn)晶的X射線衍射圖樣，舍特曼拿著衍射圖樣找到了晶體學(xué)會議，終于說服晶體學(xué)的大佬們接受了準(zhǔn)晶。在這之后，只有上文中著名的鮑林依舊反對準(zhǔn)晶存在，但是從鮑林去世以后，世上就再也沒有反對準(zhǔn)晶的聲音。

有趣的是，在準(zhǔn)晶發(fā)現(xiàn)后的某一天，一位歐洲的科學(xué)家在整理自己的舊實驗記錄的時候，意外發(fā)現(xiàn)有一張很久以前自己研究生做出來的準(zhǔn)晶衍射圖。導(dǎo)師給學(xué)生打電話說：“你知不知道，你在舍特曼之前發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶的衍射圖！”學(xué)生回答：“知道啊。”導(dǎo)師氣的冒煙：“你知道，你知道為什么不提前告訴我？”學(xué)生回答：“我那時候都快畢業(yè)了，如果我要告訴你的話，你一定還要讓我延期兩年?！?/span>
……

所以說，有的時候，知識越多反而會成為我們的桎梏。在研究過程中發(fā)現(xiàn)的奇怪現(xiàn)象，一定要大膽假設(shè)，小心求證，萬一……不小心搞出來個諾貝爾獎呢？

最后，補充幾個準(zhǔn)晶、非晶、晶體示意圖，這樣大家也就能直觀地感受到準(zhǔn)晶的魅力了。