轉貼 關於2011年諾貝爾化學獎的文章

引言] 今年的諾貝爾化學獎， 引出了準晶體與準科學家的故事，平添許多樂趣。正好俺過去的工作跟這個研究有些關係， 因而在城裏發了些評論。 現在收集起來，略加整理，鬥膽為有興趣的朋友普及，歡迎指正。本文除第一部分以外均為本人原創， 轉載請注明來源。

(一)  背景（根據AP報道）

瑞 典皇家科學院10月5日宣布，以色列科學家達尼埃爾·謝赫特曼因發現準晶體獨享2011年諾貝爾化學獎。諾貝爾化學獎評選委員會主席拉爾斯·特蘭德等人解 釋謝赫特曼獲獎原因。他們說，謝赫特曼於1982年4月8日首次在電子顯微鏡中觀察到一種“反常理”的現象——他們當時所觀察的鋁合金中的原子，是以一種 不重複的非周期性對稱有序方式排列的，而按照當時的理論，具有此種原子排列方式的固體物質是不存在的。因此，謝赫特曼的發現在當時引起極大爭議。為維護自 己的發現，他被迫離開當時的研究小組，但這一發現促使科學家開始重新思考對物質結構的認知。

因為挑戰當時的“常識”，謝赫特曼被斥“胡言亂語”、“偽科學家”

“胡言亂語”、“偽科學家”，當30年前謝赫特曼發現“準晶體”時，他麵對的是來自主流科學界、權威人物的質疑和嘲笑，因為當時大多數人都認為，“準晶體”違背科學界常識。

“當我告訴人們，我發現了準晶體的時候，所有人都取笑我。”謝赫特曼在一份聲明中說。1982年，41歲的謝赫特曼正在美國霍普金斯大學從事研究工作。

“的確，那時候的人們壓根不會接受那種晶體的存在。”美國化學協會主席納西·傑克遜說，“因為他們認為這違反自然界‘規則’。”

因為這些“規則”被視為真理，膽敢“捋虎須”的謝赫特曼自然就備受排擠。

發現“準晶體”後，謝赫特曼花費了好幾個月的時間，試圖說服他的同事，但一切均徒勞，沒人認同他的觀點。不僅如此，他還被要求離開他所在的研究小組。無奈之下，謝赫特曼隻有返回以色列，在那裏，他的一個朋友願意幫助他，將“準晶體”的有關研究成果公開發表。

最開始，這篇論文也沒能逃脫被拒絕的命運，但在謝赫特曼和他朋友的艱苦努力下，1984年，論文終於得以發表，也立即在化學界引發軒然大波。一些化學界權威也站出來，公開質疑謝赫特曼的發現，其中包括著名的化學家、兩屆諾獎得主鮑林。

“他(鮑林)公開說：達尼埃爾·謝赫特曼是在胡言亂語，沒有什麽準晶體，隻有‘準科學家’。”謝赫特曼後來說。

近30年後，勇敢質疑“常識”的謝赫特曼終於獲得全世界最權威的科學認可。“謝赫特曼的發現是科學界最偉大的發現之一，勇敢挑戰了當時的權威體係。”納西·傑克遜說。

(二) 解讀: 關鍵在於旋轉對稱性（短程）與周期性（長程）

(1) 旋轉對稱性和平移對稱性(周期性) 

一個物體, 在其旋轉 360/n 度以後, 如果與原物體重合, 稱該物體有  n 次/重 旋轉對稱性。旋轉對稱性是局部性質。 如果物質結構局部有旋轉對稱性， 我們叫它是短程有序。一塊磚如果旋轉180度，看起來和原來的磚一樣。那麽這塊磚有2次旋轉對稱性（360/2 = 180）。

在一麵牆上， 把一塊磚平移一定距離， 那末一定會與另一塊磚重合。再平移同樣的距離，還會有重合。 這個性質叫“平移對稱性”。因為平移會比旋轉涉及到更長的距離，這個更長距離叫長程。 平移對稱性是長程有序的一種。 平移對稱性具有周期性。

(2) 晶體同時具有旋轉對稱性（短程有序）和平移對稱性（長程有序），但隻有2,3,4,6次旋轉對稱性

晶體從結構上， 是具有旋轉對稱性的單位晶胞，在空間經過重複堆積而成（平移對稱性）， 因此同時具有短程有序和長程有序。但記住晶體隻有2,3,4,6次旋轉對稱性。

數學分支群論是了解晶體對稱性的鑰匙。根據群論， 晶體有 32 點群， 230 個空間群。用X光衍射法解晶體結構的時候， 第一件事就是要確定晶體的旋轉對稱性，再確定空間群。

（3） “準晶體”也具有旋轉對稱性（短程有序）和非平移長程有序。但旋轉對稱性與晶體不同（5，7，8, 10, 12次等旋轉對稱性），而且沒有平移對稱性（沒有周期性） ！

下麵的準晶體模型，您看到五個花瓣的花，就是5次旋轉對稱性。這在晶體結構裏， 是完全不可能的。 現在， 您能理解為什麽當初謝赫特曼的準晶體不被科學界接受。1982年， 謝氏隻有電鏡照片， 人們根本不接受。 到了1987年， 有了X光衍射證據後, 大家就接受了。

圖1：準晶體模型（5次旋轉對稱性！）
5/10次旋轉對稱性在晶體中根本不可能！（來源： Wikipedia)

圖2：準晶體X光衍射圖（10次旋轉對稱性！）（來源： Wikipedia）

 

（4）晶體和準晶體對比：

(a) 旋轉對稱性細節: 隻限於2，3，4，6次（晶體）

(b) 長程有序周期性: 平移性長程有序（周期性）（晶體）； 非平移性長程有序（無周期性）（準晶體）

（5） “準晶體”與耗散結構

普裏戈金（Prigogine）的耗散結構是指一個“遠離”平衡狀態的“開放係統”，由於不斷和外環境交換能量物質和熵而能繼續維持平衡的過程，對這種動態 “過程”的研究，解釋了自然界許多以前無法解釋的現象。耗散結構本身的存在是眾所周知的。Prigogine的理論是針對耗散結構"動態過程"的深入了解. NOBEL獎勵的是"由淺入深".

謝赫特曼（Shechtman）的準晶體是“接近或處於”平衡狀態的“封閉係統”。意義在於發現了一種全新的物質存在"結構"：分子排列長程有序但不重複。而晶體則是短程有序的周期性重複而達到長程有序。從早期這個發現不被科學界（包括NOBEL得主PAULING）承認，可以看出這個發現的意義。NOBEL獎勵的是"從無到有".

(三) "準晶體"翻譯不信, 應該譯成"類晶體"

quasi-: like something in someways; quasi-scientific = not entirely scientific
所以 quasi-crystal 叫"類晶體"更合適一些.當時PUALING不接受這個理論, 說的"quasi-scientist" 作為文字遊戲, 還是很到位的。這個“quasi", 強調的是不同。但與“科學家”不同， 那就是“假/偽科學家”了。因為強調的是不同，譯成中文應該用“類”， 而不是“準”。所以， 俺建議譯成“類晶體”。

類: 看起來是, 但實際上不是.

類星體: 在光學望遠鏡中觀察，類星體與普通的恒星"看上去"似乎沒有區別.但類星體"實際上"不是恒星.
類風濕: 症狀"看起來"象風濕, 但"實際上"不是風濕.
類晶體(本人建議): 電鏡/X光"看起來"都有對稱性(但細節不同), 但"實際上"不是晶體（短程沒有晶胞, 長程沒有周期性)

準: 名義上不是, 但實際上接近.

準將: 一般為旅長, 位階比少將師長低, 但旅不是師的下屬單位.要麽軍, 師, 團. 要麽軍, 旅, 團.
準媽媽: 懷孕的婦女.
準大學生: 被大學錄取, 但還沒有入學的學生.

其實歐洲人移民到了美國，取的地名都是"新什麽"：NEW YORK, NEW JERSEY, NEW ENGLAND 啥的。咱中國人，喜歡模仿，於是有＂小王府井＂, "小上海", ＂東方的巴黎＂。進而到今天的山寨文化盛行。

Shechtman　大概和我等留學生一樣，英語是第二語言，用了個“quasi-”，沒想到其中的奧妙。還被鮑林嘲笑為“quasi-scientist”。要是用“neo-crystal”，諾貝爾獎要早得十年！

（by ThatIsDifferent 於文學城博客[太浮閑話]