 石贵华刻 Girih瓷砖是中世纪中东建筑物的传统装饰图案。这种图案的基本元素为多重对称的星形和多边形，以华美繁复、炫目瑰丽著称。令人意想不到的是，这一装饰艺术形式，竟然蕴含着复杂的数学原理，并启发了科学家们，使他们发现了准晶。一般认为，固体的形态分为两种，即晶体和非晶体。晶体的结构有序并且拥有平移周期性，非晶体则没有这些特性。而所谓准晶，恰恰介于这两者之间。说它是非晶体，可它结构有序；说它是晶体，它又不能平移重复。准晶独特的结构引人入胜，也让化学家们伤透了脑筋。 准晶结构是由以色列科学家舍特曼于1982年发现的。他尝试使用急速降温的办法制造金属合金，得到一种全新结构的锰-铝合金。当舍特曼把新材料放到电子显微镜下观察微观结构时，他惊讶地发现，自己制造的“晶体”完完全全颠覆了传统的晶体学范式——以一个圆点为中心，周围彼此距离相同的十个亮点形成一个更大的圆形。 舍特曼的惊讶是有原因的。在那个年代，传统的晶体学对称理论在科学家心中早已根深蒂固。当实验结果与基础理论背道而驰，绝大多数人选择墨守成规、囿于范式，舍特曼却选择相信实验结果。因此，他提出的准晶结构饱受质疑，凝聚心血的论文被学术期刊拒稿，他甚至被供职的研究所扫地出门。但是舍特曼依然没有放弃，他又向晶体学权威格雷希斯请教。格雷希斯深入了解了他的研究之后深表赞同，毅然加入支持准晶的阵营，向晶体学理论宣战。1984年，他们联名向知名学刊《物理评论快报》投了一篇论文。 话分两头，20世纪60年代，数学家们即开始思考是否能用有限数量的花砖堆放成一种图案不可重复的镶嵌物，即制造出所谓的非周期性的镶嵌物。到了1974年，英国科学家彭罗斯在观察Girih瓷砖时得到启发，首次构造出有五次对称轴的非周期性的二维镶嵌平面（如图）。这时人们才发现，早在中世纪阿拉伯艺术家就用花砖拼出了非周期性的对称图案，其中还有五次和十次对称轴的存在。后来，晶体学家麦凯在彭罗斯镶嵌的结构上放置原子模拟晶体结构，并进行了衍射实验，这一理论结果与舍特曼的实验图像相符。 幸运的是，舍特曼和麦凯的论文几乎同时寄到杂志社编辑部。有了最新理论结果的佐证，准晶获得认可已是水到渠成。他们的论文一发表，立刻在学术界获得关注。时至今日，即便是最顽固守旧的科学家也不得不承认准晶的存在，基础理论教科书也因此作出关于准晶的修正，舍特曼更是因为这一发现荣膺2011年诺贝尔化学奖。 （本栏长期征集“日知录”三字篆刻，投稿邮箱：rizhilu999@163.com） |
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