張潔+白玉磊
準晶體,打破常識的發(fā)現(xiàn)
在科學界承認謝赫特曼的那個驚人發(fā)現(xiàn)之前,有關材料學的教科書中都寫到,固體材料分為晶體和非晶體兩種。就拿我們常用的手機來說,手機內的金屬器件是晶體,晶體中的原子按照一定的規(guī)律重復排列;而手機的塑料外殼是非晶體,其中的分子或原子排列雜亂無章,沒有特別的規(guī)律。那么,有沒有一種固體材料既不是晶體又不是非晶體呢?謝赫特曼就發(fā)現(xiàn)了這樣一種介于晶體和非晶體之間的準晶體。準晶體內部原子的排列很有規(guī)律,但是不會重復排列。
那么,謝赫特曼是如何發(fā)現(xiàn)準晶體的?這得從30多年前的那個春天說起。1982年4月,謝赫特曼在美國約翰·霍普金斯大學擔任助理教授,從事的是航空用高強度合金的研究。他在研究一種鋁錳合金時,發(fā)現(xiàn)其中的“晶體”有些不守規(guī)矩。他拍攝的這種材料的電子衍射照片顯示,這種物質存在10次對稱軸。也就是說,電子衍射照片在旋轉36°(1/10周)后,才能使旋轉前后的照片上的衍射斑點完全重合在一起。
100多年來,在涉及晶體結構的相關教科書里明確寫著:“晶體里不存在5次或10次對稱軸?!?然而,似乎不可能出現(xiàn)的現(xiàn)象實實在在地出現(xiàn)了。因此,謝赫特曼對自己拍攝到的照片十分疑惑,還在實驗記錄的“10次”后面打了個問號。一般來說,科學家有了新的發(fā)現(xiàn)會十分興奮,甚至會像阿基米德那樣從浴盆里跳出來歡呼。然而,謝赫特曼一點也不興奮,因為他的新發(fā)現(xiàn)違背了“金科玉律”。難道是自己的實驗出現(xiàn)了偏差?謝赫特曼開始重復自己的實驗,多次重復之后,結論還是一樣。他不但發(fā)現(xiàn)了一些固體物質中的10次對稱軸,還發(fā)現(xiàn)了5次對稱軸。
在他人嘲笑中堅持下來
懷著種種疑惑,謝赫特曼像祥林嫂那樣,見人就描述他的新發(fā)現(xiàn),希望能夠得到他人的支持。然而,沒有人支持他。這事傳到了實驗室主管的耳朵里,實驗室主管大發(fā)雷霆,把謝赫特曼叫進主管辦公室,扔給他一本晶體學教材,并對他說:“你為什么不重新復習一下這些教材?你說的那些是不可能發(fā)生的。”
為什么人們不相信有準晶體這種材料存在呢?一是因為準晶體內的對稱軸打破了常識,更為重要的是,晶體和非晶體在自然界中隨處可見,而準晶體在自然界中難覓蹤影,人們總是有“眼見為實”的觀念。直到2009年,俄羅斯研究人員才在一條河流的礦物樣本中首次發(fā)現(xiàn)了天然準晶體。
盡管沒有人支持謝赫特曼,他還是認為自己發(fā)現(xiàn)了固體物質的第三種形式,那就是除晶體、非晶體之外的準晶體。由于不放棄對準晶體的研究,謝赫特曼被約翰·霍普金斯大學解雇了。如今校方或許會有些后悔,因為他們不知道當時解雇的是未來的諾貝爾獎得主。
謝赫特曼懷著灰暗的心情離開了美國,回到自己攻讀學士、碩士和博士的母校以色列理工學院。母校以博大的胸懷接納了他,并聘請他做教授。謝赫特曼還在母校找到了一個得力的助手,他們經過一年多的研究,于1984年發(fā)表了一篇描述制造準晶體的具體方法論文。這篇論文的發(fā)表是十分艱難的,因為當時學術界并不接納準晶體這個概念,他們最終把論文發(fā)表在一本二流學術期刊上。而且,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。
在反對者中,反對最激烈、聲望最高的是一位兩度獲得諾貝爾獎的科學家。他就是美國著名的化學家萊納斯·鮑林,他曾經獲得1954年諾貝爾化學獎和1962年諾貝爾和平獎。有趣的是,鮑林獲獎成果之一的“共振論”,也是打破了物質結構研究領域的常規(guī),這項理論也曾經遭受非議。鮑林曾經在一場新聞發(fā)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?!庇捎邗U林在國際化學界影響很大,他給謝赫特曼“準科學家”的稱謂不脛而走。多年以后,謝赫特曼的一些朋友還拿這個稱號來打趣他。
要成就一項新的科學發(fā)現(xiàn),需要能夠重復相關的實驗,否則就是無稽之談。好在謝赫特曼向科學界描述了如何制造準晶體的方法,一些國家的研究人員陸續(xù)在實驗室中,以謝赫特曼描述的方法制造出不同物質的準晶體,有些研究人員還開發(fā)出了新的制造方法。1987年,法國和日本科學家制出足夠大的準晶體,可以經由X射線和電子顯微鏡直接觀察到這種晶體。至此,謝赫特曼的準晶體理論才得到科學界的認可。
從發(fā)現(xiàn)準晶體,到終于得到主流科學界的認可,再到因此榮獲諾貝爾獎,謝赫特曼經歷了漫長的時間,當問及是什么讓他頂住重重壓力堅持自己的觀點時,他告訴記者,“對此我并不在意,我深信自己是對的,他們是錯的。我是一個實驗型的科學家,我做了大量的實驗,結果證明我是對的,然后我就可以非常自信地告訴別人就是這樣的。如果你想要推翻我,那就請你再做一遍,用事實告訴我到底是哪里出錯了,是實驗方法不對,還是計算方法有誤,而不是單純地用書上的理論知識?!?/p>
現(xiàn)在的人們也許只看到了謝赫特曼最終的成就,卻忘了當年為了維護自己的發(fā)現(xiàn),他在實驗室里究竟重復了多少遍實驗。
準晶體的未來應用會更廣闊
我們都知道,晶體材料和非晶體材料在實際生活和工業(yè)生產中應用十分廣泛,那么準晶體材料有實際用途嗎?
謝赫特曼告訴記者,準晶體是一種很好的熱和電的不良導體,非常堅固,表面基本沒有摩擦力,不易與其他物質發(fā)生反應,不易被氧化生銹,所以最實際的應用就是用它制作不粘鍋的表面涂層,非常好用。另外,許多光學儀器、醫(yī)學器材、化工材料、電子材料都在使用準晶體的合金,比如說,鑒于其具備的“強化”特性,準晶體材料可應用于制造眼外科手術微細針頭、刀刃等硬度較高的工具?!拔蚁嘈盼磥硭鼘⒈贿\用得更廣泛?!敝x赫特曼如此說。
他教了27年的“科技創(chuàng)業(yè)精神課”
謝赫特曼不僅是一位成就斐然的科學家,而且是一位科學教育工作者。在演講中,謝赫特曼反復強調,科學要從娃娃抓起,幼兒園的孩子就行,因為小孩子是非常聰明的,那些物理、化學知識,他們完全能聽得懂,
據(jù)他透露,在以色列有一檔他主持的電視節(jié)目,就是給孩子們普及科學知識,每天不止播放一遍,孩子隨時隨地都可以叫家長放給他們看。謝赫特曼告訴記者:“如果從娃娃起就開始教授他們相關的科學以及工程方面的知識,他們可能就會從小熱愛這個行業(yè),長大之后也會很樂意從事工程以及科學的相關工作,這對國家來說是相當好的?!?/p>
在以色列,全國的幼兒園都設有科學的相關課程,而他們到了高中階段就開始接受創(chuàng)業(yè)教育,理工科、醫(yī)學類高校和職業(yè)技校更是如此。謝赫特曼認為,不管哪個國家的創(chuàng)新力教學都應該從娃娃開始,從年輕人抓起,至少在高中階段就要開始教。
在過去27年里,謝赫特曼不僅自己親自經營科技公司,更鼓勵化學、物理、工程學背景的大學生在學習之余進行創(chuàng)業(yè)。他在以色列理工學院一直教授一門課程——“科技創(chuàng)業(yè)精神課”,培養(yǎng)創(chuàng)造型企業(yè)家,也培養(yǎng)企業(yè)家型學者,把創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)有機結合在一起,為以色列成為“創(chuàng)業(yè)的國度”立下汗馬功勞。
謝赫特曼在大學開設這門課程時,為了給學生樹立一個榜樣,他計劃把這門課當成一個運營項目來運作。為了將自己的課程推廣出去,謝赫特曼打電話給學生會,告訴他們自己即將開設這門新課程,不是為了大學開設的,而是為了他們的未來設置的,很多人起初都不理解,但最終謝赫特曼還是說服了他們,并把課程發(fā)布在大學的雜志中,就這樣打起了小廣告:“想要成為企業(yè)家嗎?該怎么做呢?那好……就來參加這門課程吧!”同時附上了課程的詳細介紹。本來這門課只有600個名額,最后來了800多個學生,有些人不得不坐在走廊上,要知道,別的課能來50個人就很不錯了,而他的課程從第一天開課就很成功,直到現(xiàn)在也是如此。
在這門課上,謝赫特曼還會請很多特邀嘉賓來演講。受邀的一般是三種人,一種是成功的企業(yè)家,特別是那些從一無所有的窮小子到億萬富翁的典型,一種是新型企業(yè)的創(chuàng)業(yè)者,還有一種是各種專業(yè)人士,比如律師、金融家。這些人把他們自己成功的案例教給更多的年輕人,告訴年輕人如何獲得人生第一桶金、如何開展市場調研、如何把東西賣出去、如何營造企業(yè)文化,甚至包括失敗的經歷等。
通過這些演講者分享的創(chuàng)業(yè)故事,學生們能了解到創(chuàng)業(yè)所需的各種技能。
記者在采訪中了解到,謝赫特曼曾經的一位學生,現(xiàn)在已經是一家市值1.04億美元的電腦軟件開發(fā)公司的老板,同時也是他的客座演講者之一。所以謝赫特曼對與會者說,如果你是一名老師,把科學家、工程師這樣的演講者請到學校,告訴學生們他們的創(chuàng)業(yè)經驗,這樣的投資是長線的,但是很有必要。