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準晶，我先發(fā)現的但沒(méi)告訴導師，因為畢業(yè)比諾獎重要
準晶，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)現的。1982年4月8日，舍特曼在觀(guān)察一種錳鋁合金的時(shí)候，發(fā)現在自己的電子顯微鏡上，出現了一種旋轉36°對稱(chēng)的圖形。沒(méi)過(guò)多久，他又在合金中發(fā)現了一種72°旋轉對稱(chēng)的圖形，類(lèi)似于下面兩幅圖。
多么美妙的圖案啊，而且從未被人發(fā)現過(guò)。他認為這種晶體是傳統晶體和非晶體之間的一種，于是將這種從未見(jiàn)過(guò)的固體命名為準晶，興沖沖地寫(xiě)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(guò)無(wú)數重要發(fā)現的著(zhù)名核心期刊 JAP 的固執令人震驚，并且完全沒(méi)有松動(dòng)的意思。
而現如今，準晶已經(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，以鼓勵他為準晶的發(fā)現做出巨大貢獻。準晶作為新世紀的一大寵兒，憑借其獨特的性質(zhì)，在各大核心刊物上，占據了不少席位。但是，我們回頭看1984年的 JAP，未免會(huì )感到疑惑，為何當年的 JAP 會(huì )如此固步自封呢？
這個(gè)故事就說(shuō)來(lái)話(huà)長(cháng)了。
很久以前，人們便發(fā)現，在很多固體的內部，原子常常按一定規律排列，這種排列方式在一定程度上決定了固體的性質(zhì)。人們將內部排列有規律的稱(chēng)之為晶體，而無(wú)規律的，則稱(chēng)之為非晶體。人們認識到，晶體的內部不僅具有平移對稱(chēng)性，還具有旋轉對稱(chēng)性，而非晶體僅僅具有短程有序性，即局部區域中有序。在很長(cháng)一段時(shí)間里，人們認為，世界上只有這兩種固體，晶體和非晶體。
從旋轉對稱(chēng)性來(lái)說(shuō)，依照傳統晶體觀(guān)點(diǎn)，晶體的二維圖的對稱(chēng)軸應該只有五種，1、2、3、4、6條。像舍特曼得到的5次對稱(chēng)軸和10次對稱(chēng)軸，從晶體理論上來(lái)說(shuō)，是不可能存在的。因為從數學(xué)的角度上說(shuō)，這種5次對稱(chēng)軸和10次對稱(chēng)軸得到的圖案，不可能形成既平移對稱(chēng)又旋轉對稱(chēng)的圖形。That’s impossible!
不存在5次和大于6次對稱(chēng)軸的晶體，這種學(xué)界主流公認晶體觀(guān)點(diǎn)被寫(xiě)進(jìn)教科書(shū)，一百年都沒(méi)有人懷疑過(guò)。
基于這種晶體理論，面對舍特勒的發(fā)現，當時(shí)著(zhù)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(zhù)名言論：“這個(gè)世界上沒(méi)有準晶，只有蹩腳的科學(xué)家?！彼J定準晶是不存在的，舍特曼的發(fā)現其實(shí)是晶體的孿晶，作為當時(shí)的學(xué)術(shù)大牛，他的言論給舍特曼帶來(lái)了巨大的壓力。
面對阻力，舍特曼沒(méi)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)共同體內的廣泛認同。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(lái)。隨后不久，相關(guān)的類(lèi)似晶體研究（來(lái)自日本，中國，美國）迅速占領(lǐng)了大家的眼球，準晶正式成為固體大家族的一員，開(kāi)始炙手可熱的時(shí)代。
再過(guò)回頭來(lái)，讓我們看一眼這張圖：
可以看出，很明顯，圖的細節上是非周期性的，它確實(shí)不像傳統的晶體模型，能提取一種無(wú)限重復的圖案。但是整體來(lái)看，它又具有明顯的規律性。這種由非周期性的圖案鋪滿(mǎn)整個(gè)平面的構思，來(lái)自于和舍特曼同時(shí)期的英國數學(xué)家彭羅斯。如下圖中，兩種不同的圖形制成的整個(gè)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的正方形拼圖的觀(guān)念，巧妙地采用了一系列非周期性的磚組，構成了一系列規則的圖案。這從數學(xué)的角度，有力地證明了準晶存在的可能性，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，這是數學(xué)界的最高獎之一。
一直以來(lái)，準晶的反對者一直堅持一種觀(guān)點(diǎn)，舍特曼做出準晶的衍射圖樣是電子衍射圖，沒(méi)有X射線(xiàn)衍射圖就什么都不是。我們今天知道X射線(xiàn)衍射和電子衍射從原理上說(shuō)沒(méi)什么區別，但是當時(shí)的權威卻對這樣的反對堅信不疑。86年后，法國的一個(gè)組花了三年時(shí)間做出了準晶的X射線(xiàn)衍射圖樣，舍特曼拿著(zhù)衍射圖樣找到了晶體學(xué)會(huì )議，終于說(shuō)服晶體學(xué)的大佬們接受了準晶。在這之后，只有上文中著(zhù)名的鮑林依舊反對準晶存在，但是從鮑林去世以后，世上就再也沒(méi)有反對準晶的聲音。
有趣的是，在準晶發(fā)現后的某一天，一位歐洲的科學(xué)家在整理自己的舊實(shí)驗記錄的時(shí)候，意外發(fā)現有一張很久以前自己研究生做出來(lái)的準晶衍射圖。導師給學(xué)生打電話(huà)說(shuō)：“你知不知道，你在舍特曼之前發(fā)現了準晶的衍射圖！”學(xué)生回答：“知道啊?！睂煔獾拿盁煟骸澳阒?，你知道為什么不提前告訴我？”學(xué)生回答：“我那時(shí)候都快畢業(yè)了，如果我要告訴你的話(huà)，你一定還要讓我延期兩年?！?/span>
……
所以說(shuō)，有的時(shí)候，知識越多反而會(huì )成為我們的桎梏。在研究過(guò)程中發(fā)現的奇怪現象，一定要大膽假設，小心求證，萬(wàn)一……不小心搞出來(lái)個(gè)諾貝爾獎呢？
最后，補充幾個(gè)準晶、非晶、晶體示意圖，這樣大家也就能直觀(guān)地感受到準晶的魅力了。
