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 说说准晶体及其他（下） |
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断章师爷
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加入时间: 2009/08/25
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作者：断章师爷 在 驴鸣镇 发贴, 来自 http://www.hjclub.org
说说准晶体及其他（下）
断章师爷
本文上半篇主要谈事，这下半篇想谈人。Dan Shechtman是出生于特拉维夫的材料科学家，以色列理工学院材料科学教授。1982年4月8日，他发现了一种二十面体相，从而开拓了准周期晶体的新领域，因此荣膺2011年诺贝尔化学奖。
为此，有些国人很不忿。有惋惜中国科学家与诺贝尔奖又缘悭一面（曾荣昌：“我国材料科学家与2011诺贝尔奖化学奖擦肩而过”）；也有埋怨诺奖委员会有眼无珠（科学网：“准晶诺贝尔奖这次被中国科学家撞上了，但是被诺委会忽视了！！！”）；更有谴责诺奖委员会颁奖不公的（刘实：“准晶诺贝尔奖授给一个人不公平，应该同时给中国人”）。
今年国人为何如此群情激愤呢？其实也事出有因。那是因为已故的物理冶金和晶体学家郭可信院士（1923-2006）和他的团队确实在准晶领域中做出了不容忽视的成绩。1985年郭可信院士领导的研究组发现了五次旋转对称的钛-钒-镍二十面体准晶；1987年发现了八次旋转对称的钒-镍-硅和铬-镍-硅准晶体系；1988年发现了稳定的铝-铜-钴十次旋转对称准晶体系。此后，准晶研究在大陆材料科学领域中成了一门显学，郭院士本人也荣任过一届亚太电镜学会联合会主席。
这儿，我暂且把郭院士和义愤填膺的爱国人士放一放，先简短回顾一下Dan Shechtman是如何发现准晶的。
1982年D.Shechtman在急冷铝-锰合金中发现了五次对称衍射图,他无法解释这一现象，着了迷似地陷入了深沉的思考之中。当时，几乎所有 D.Shechtman的同事都认为这个结果其实只是晶体的孪生现象。然而D.Shechtman并不信服，研究组的领导要求他把这个问题搁在一旁另外开题，他却不肯放弃，仍孜孜以求地沉湎其中。结果开罪了领导，要求他离开研究小组。D.Shechtman不得不调到另一个研究小组，他继续寻求帮助和支持，却处处面对冷遇和嘲讽。甚至有人给了他一本教科书，当面翻开其中的一页要他认真复习一遍关于孪晶的那段文字。即使遭遇到这种难堪，D.Shechtman仍然坚信他的发现中蕴藏着一个尚不为世人接受的神秘世界。只有材料工程系的Ilan Blech教授认真地倾听了他的唠叨，并建议两人合作，共同致力于他的发现。不久I.Blech就从五边形的对称现象发展出一个模型：在三维空间称之为二十面体的旋转对称，这是一个具有20个面积相等的三角形组成的几何体。1984年夏天，D.Shechtman应他的长期合作者美国国家标准局高级科学家J.W. Cahn之邀去马里兰。D.Shechtman在那儿将他与I.Blech写的文章寄给《美国应用物理杂志》（Journal of Applied Physics）。不久就收到编辑拒绝刊登的回信，因为物理学家不会对这样的文章感兴，建议他改投冶金杂志。（The article would not reach the proper readers and suggested the auther send it to a metallurgical journal）。D.Shechtman接受编辑的建议，改投《冶金学会刊》（Metallurgical Transactions），文章倒是被接受了，但是搁置了将近一年都未曾发表。失望的D.Shechtman 去找J.W. Cahn，后者起初也持保留态度，说这可能是五次孪晶，在金、银、金刚石、硅、锗中常见。可是许多现象还是解释不通。和D.Shechtman工作了一段时间后J.W. Cahn就乐于和他一起讨论这个令他着迷又给他痛苦的发现。他们邀请法国晶体学家Denis Gratias加盟，他是国际数学结晶学方面的权威（拙文上半部分依据的就是D. Gratias的讲稿，他的正文不足30页，附录长达50多页，都是各种令人眼花缭乱的群算式和点阵图形）。他们三人经过多次讨论，做出了不少解释，但是因为与传统结晶学的周期性相矛盾，所以迟迟不敢发表。直到1984年秋D. Gratias听到普林斯顿大学理论科学中心的P.J.Steinhardt介绍他在凝聚态物理中的计算结果，不但液体结构中近邻取向有序是二十面体对称，对于固体同样也适用。他们的信心这才大大增强，于是三人合作把原来的那篇文章进行改写，使之更其简洁完美。他们把I.Blech的名字列为第四个作者，然后送到《物理学评论通信》杂志。可能是添上J.W. Cahn和D. Gratias大名的缘故，情况大为改善，提交后不久，在1984年11月《物理学评论通信》（PRL）53 卷20分册上就发表了D.Shechtman、I.Blech、D. Gratias和J.W. Cahn四人联名的那篇“长程取向有序和没有平移对称性的金属相”。该文现在已被誉为开拓准晶纪元的文章。文章一经发表，反映如潮，世界各地的科学家都纷纷打电话或写信给D.Shechtman说“我们做过了，我们看到了你以前看到的。” （We did it and we see what you saw.）在该文发表数月后召开的一次国际数学晶体学年会上占压倒多数的与会者讨论的是D. Shechtman的文章。1986年，筹备召开了第一次专题讨论准晶的国际学术会议。那么多的研究者重复得到了D. Shechtman的结果，这一事实使他感到既欣慰又困惑。为什么国际结晶学界如此长时间都回避准晶呢？除了从合作者那儿获取有力的支持外，D. Shechtman需要对于他的发现进行一些认真的思索。他通过透射电镜进行了大量艰苦细致的深层次研究，而不是满足于寻找一些有用的急冷合金。同时，D. Shechtman必须直面的还有一个仍然不相信他、讥嘲他、甚至攻击他的世界。反对者行列中有一位大名鼎鼎的L.Pauling，他是两次诺贝尔奖获得者。L.Pauling凭直觉“破译”过不少晶体结构，其中最出名的就是镁32(铝,锌)49。他在体心立方点阵的顶点上放一个空心的二十面体，再在20个三角形上放20个原子构成了一个有十二个正五角形的五角十二面体；再在这12个正五角形中心上放12个原子就构成了30个菱形组成的三十面体；每个菱形的两个三角形上放2个原子，这60个原子就构成了一个由正五角形和正六角形的组成的如C60那样的多面体；再在正五角形及六角形上放一个原子就构成大三十面体；所有这些不同的壳层都满足五次对称要求。这些大三十面体的体心立方排列就是镁32(铝,锌)49的结构。用这个模型计算出的X射线衍射强度与实验观察的结构相符。这篇传世的杰作，发表在1957年《结晶学报》（Acta Crystallographica)上。可是在准晶发现后，L.Pauling却全力以赴地反对准晶，一而再再而三地说这是五次孪晶，不是准晶。L.Pauling在《自然》杂志（Nature)关于准晶的通讯中甚至斥责为“胡说八道” (nonsense)，在《物理学评论通信》等杂志拒绝发表他的论文后，又在美国科学院院报(PNAS)上连篇累牍地鼓吹孪晶学说，作为院士他有权不经审查在院报上发表任何文章。L.Pauling坚信晶体具有周期性一说，因此就不能接受五次对称，尽管他搞了一辈子的五次对称结构单元而且是贡献极大的人。国人不知出于何种心理，将L.Pauling指责为学阀和学霸，好在他老人家早在17年前已升天国，这些谩骂声是听不到了。其实，他生前早已被国人斥责为“唯心主义在化学界中的代表”。关于L.Pauling在大陆的遭遇，在后面再介绍。
D. Shechtman在《物理学评论通信》上发表的文章只是万里行程的第一步而已。在帮助他确认准晶样品以后，I.Blech就离开了以色列理工学院去硅谷从事微电子产品的开发。J.W. Cahn成了国家标准技术所的荣誉研究员，并在1989年获得了美国国家科学奖。D. Gratias则是法国微结构实验室的常务主管。D. Shechtman仍然留在理工学院，其中除了从事过5年将化学蒸汽沉积在金刚石方面的工作之外，他几乎把全部精力和时间都耗费在准晶的研究上。D. Shechtman付出的心血得到了酬谢，从1986年获得 Friedenberg基金会颁发的高级科学和教学的物理学奖后，他先后获得了包括Wolf物理学奖、Rothschild 工程奖、以色列国家科学奖和欧洲材料研究学会奖等11项奖状。最后迎来了2011年的诺贝尔化学大奖。
在10月5日的诺贝尔化学奖新闻发布会上，瑞典皇家理工学院的Lars Thelander教授宣布将2011年度的诺贝尔化学奖颁发给D.Shechtman的理由是 “发现了准晶”（for the discovery of quasicrystals），接着他介绍道“……我们在准晶中发现了阿拉伯世界令人着迷的马赛克在原子层面上的再现:那些规则图案绝不重复它们自己。然而，在准晶中发现的这种组态被认为是不可能的，Dan Shechtman不得不打了一场剧烈的战争来对抗公认的科学。2011年诺贝尔化学奖已经从根本上改变了化学家如何设想固体物质的。”（In quasicrystals, we find the fascinating mosaics of the Arabic world reproduced at the level of atoms: regular patterns that never repeat themselves. However, the configuration found in quasicrystals was considered impossible, and Dan Shechtman had to fight a fierce battle against established science. The Nobel Prize in Chemistry 2011 has fundamentally altered how chemists conceive of solid matter. ）。
综上所述，可见D.Shechtman折取2011年度的诺奖桂冠是实至名归。因为他荣膺的诺奖“从根本上改变了化学家如何设想固体物质的”，这完全符合A.B.诺贝尔先生的遗愿：“在化学上有最重大的发现或改进的人”（the person who shall have made the most important chemical discovery or improvement）。
现在回过来将郭院士率领的团队取得的成绩与国际同行比较一下，是很有意思的。郭可信和Zhang，Z.等发现钛-钒-镍五次对称电子衍射图是在1984年11月，文章发表已经是1985年了。D.Shechtman发现铝-锰五次对称电子衍射图是在1982年4月8日，他将结果保留在一个记事本中，文章则在1984年11月发表。也就是说郭院士他们的发现比D.Shechtman整整晚了2年。郭可信和Wang，N.等发现八次旋转对称的准晶体系是在1987年，然而瑞士的T.Ishimasa,则在1985年就发现了镍-铜准晶体系的十二次旋转对称。郭可信和He, L.X.等1988年发现了铝-铜-钴十次旋转对称的稳定准晶体系，日本东北大学的蔡安邦则在1987年发现了铁-铜-铝二十面的稳定准晶体系。后者在诺委会的评审报告中被称为“成功确定准晶结构的一个非常重要的因素”。可见在准晶领域发展历史的每一个里程碑式突破上，郭院士他们总是稍稍“滞后”于国际同行一步。篡改一下Neil Armstrong的那句名言：这是准晶实验竞赛中相差的一小步，却是准晶历史发展上相距的一大步。打个比方来说，在百米决赛中紧随Usain Bolt越过冲刺线的那一二位选手尽管成绩也很抢眼，欢呼和掌声却与他们基本无缘，势利的记者们更不肯把闪光灯稍稍移动一下去关注他们的。
那么，诺委会把奖金给D.Shechtman一个人是否对中国人歧视呢？倘若同时颁发给几个人的话，中国人轮得到吗？且不说郭可信院士去世已经5年，即使他还健在的话，分享诺奖的机会恐怕也不大。不说别人，至少I.Blech、D. Gratias和J.W. Cahn这三人就都有资格享受准晶发现者的荣耀。此外，P.J.Steinhardt的理论工作绝对是创立准晶概念的指路明灯。其实他的主要兴趣在粒子理论和宇宙起源，他是那两个领域中的佼佼者。他和D. Levine两人对准晶体系进行了深入的理论研究，从数学和物理两个方面对了解这一全新的体系作出了不可磨灭的贡献。为此他获得了美国物理学会颁发的2010年度的 Oliver Buckley 奖。P.J.Steinhardt对于准晶领域的贡献绝对是出类拔萃的。准晶这个术语就是他提出来的，然而，D.Shechtman本人并不喜欢准晶这个术语，希望称之为准周期材料。准晶的定义是“一类具有介于晶体的有序结构和气体的无定型结构之间的不规则的重复的原子结构排列特征的固体物质。” （a class of solid materials characterized by an irregular, repetitive structural arrangement of atoms that is intermediate between the orderly structure of a crystal and the amorphous structure of a glass）。
所以国人在网络上发泄的情绪是否值得认真关注，就见仁见智了。
下面想谈谈L.Pauling “在中国”的遭遇。L.Pauling（1901—1994）是著名的量子化学家，他在化学的多个领域都有过重大贡献。曾两次荣获诺贝尔奖（1954年化学奖， 1962年和平奖）。他自1930年代开始致力于化学键的研究，1939年出版了在化学史上有划时代意义的《化学键的本质》一书。这部书彻底改变了人们对化学键的认识，将其从直观的、臆想的概念升华为定量的和理性的层次，在该书出版后不到30年内，共被引用超过16000次，至今仍有许多高水平学术论文引用该书观点。由于L.Pauling在化学键本质以及复杂化合物物质结构阐释方面杰出的贡献，他赢得了1954年诺贝尔化学奖。
L.Pauling出生在Portland市的中国城旁，2岁就学会用中文从1数到10，对中国的算盘也十分好奇。1939年，他在加州理工学院任化学系主任期间，卢嘉锡(前中国科学院院长)是他的科研助手。L.Pauling生前曾两次访问过中国。第一次是在1973年9月，当时正值文革中美关系解冻时期。这是一次民间性质的访问，由中科院副院长吴有训教授出面邀请。1981年80岁高龄的L.Pauling第二次到了中国，参加在天津举办的国际营养学学术会议，并访问了北大。
然而，早在1950年代初期，中国化学界对于L.Pauling的名头就很熟悉了，那时他尚未获得诺贝尔化学奖。之所以出名是因为他提出的共振理论被当作了伪科学的典型。将近半个世纪前，我在大学二年级的有机化学教科书介绍苯分子的结构时就被告诫共振论带有唯心主义色彩。共振论是化学中表示分子结构的一种方法，是价键理论的重要组成部分。该理论认为，对于无法用一个经典结构式来表达的分子、离子或自由基，可以通过若干经典结构式的共振来表示。共振中的结构并不存在，真实粒子也并非这些共振结构的混合物或平衡体系，只是因为价键理论中无法用单一结构式来准确表达物质的结构，所以借助共振的概念。这个概念由L.Pauling在1928年提出，“共振”一词（Resonance）来源于用量子力学法处理氢分子时，产生的两个耦合振子的经典系统。
由于意识形态的不同，苏联科学界从四十年代起就开始了一场对“资产阶级科学”的批判。当时批判的主要对象有：生物学中Morgan 的基因论、物理学中的“量子力学唯心理论”、化学中L.Pauling的共振论及工程学中Wiener的控制论等。批判的高潮阶段为1951年苏联科学院化学部的“有机化学中化学结构理论问题讨论会”。当时的中国紧随其后，也陆续开展肃清资产阶级科学的活动。始作俑者是中宣部原副部长、中央党校原副校长龚育之。他不仅翻译了凯德洛夫的 “反对有机化学中的唯心论和机械论” 一文，还亲自撰写了“反对化学中的唯心论和机械论：苏联科学界讨论有机化学中化学构造理论问题的情况和意义”方舟子写的“伪科学之争 妖魔化何祚庥院士的背后”文中为何院士辩护：“如果说批基因论还与何祚庥沾了点边的话，批‘共振论’则纯属污蔑”。然而，龚育之的访谈录中却回忆到是何祚庥去找他，让他写一篇文章批评共振论，他就答应了。文章中的观点，一些是他自己的，一些则是同何祚庥讨论之后提出来的。
《科学通报》1952年第3期发表的“苏联化学界对化学构造理论‘共振学说’的批判”专集。专集收录了“有机化学中化学构造理论问题讨论会底决定”和“有机化学中化学构造理论问题全苏联讨论会述评”，幷转载了“反对有机化学中的唯心论和机械论”和“论化学中的一种马赫主义理论及其宣传者”等具有代表性的批判文章。专集概述了讨论会的主要情况和此前“化学构造理论问题讨论”的大致过程；认为共振论具有“机械还原论”和“马赫主义唯心论”的哲学特征，是“反动”的理论。
1953年中国化学会召开了““有机化合物结构理论讨论会”，筹备小组在《化学通报》上发表了《有机化合物结构理论讨论会总结》。自然这不是一场“讨论会”，而“整风会”和“批判会”。在这样的一种政治环境下，为共振论辩护，将要承受多少附加的政治风险？不能以无名小卒自居的大化学家们，自然不能简单选择沉默的。量子化学家唐敖庆撰写了“肃清化学构造理论中的唯心主义”，他以化学教授的身份阐述了自己对于苏联化学批判的看法，幷按照思想改造的要求表明了自己支持苏联批判共振论的立场。结构化学家徐光宪教授也发表了“中介共振论的批判”，这篇文章认为 共振论是“主观虚构”，具有“唯心论实质”；共振论的方法论基础是马赫的“思维经济”原则；它是“化学中的马赫主义”，共振论的危害性不仅在于“妨碍了分子结构理论的健全发展”，而且还在于“和其它各门科学中的唯心论共同组成了一个反动战线，来反对唯物论。” 然而，该文同时大篇幅地介绍了共振论的主要内容，事实上是一篇难得的学习共振论的普及教材。物理化学家黄子卿教授在回国前是研究金属键的，这个研究跟共振论有联系，他当时研究的这个方向正处于科学的前沿。回国后碰上批判共振论，觉得不好再继续这个研究了，就搞别的去了。
以上东搜西罗了一些资料，胡乱捏合成篇，就此带住吧。
（全文完）
作者：断章师爷 在 驴鸣镇 发贴, 来自 http://www.hjclub.org
上一次由断章师爷于2011-10-22 周六, 下午11:29修改，总共修改了1次 |
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