花30余年寻找准晶的科学家

《第二种不可能》，[美]保罗·斯坦哈特著，高跃丹译，浙江科学技术出版社2023年11月出版，定价：119.9元

■陈学雷

《第二种不可能》一书可以说是一本以第一人称叙述的侦探故事，充满了悬念、转折和惊喜，令人拿起书后几乎无法放下。但这里所讲的故事都是真实的，其主人公不是一位普通的侦探，而是一位世界著名的科学家，他所追查的也不是罪犯，而是自然界中的一个奇迹——准晶。为此，他花了30多年时间。

什么是准晶？它是一种有点类似晶体，但又不是晶体的物质。晶体是常见的，例如水晶等天然矿物，甚至普通的食盐都是晶体。原子规则地排列在一起就形成了晶体。

晶体学家早已用数学方法证明，只有那些具有二重、三重、四重、六重旋转对称性的结构可以实现周期性的排布，形成晶体。这对于学过固体物理或矿物学的大学生来说是常识。

因此，20世纪80年代，当一位以色列冶金学研究者谢赫特曼发现某种铝合金中存在着五重旋转对称性时，很多人认为他犯了低级错误，因为五重旋转对称性的构型不可能形成晶体。

从事理论物理研究的本书作者保罗·斯坦哈特却在研究中发现了虽不具有周期性，然而仍可以布满空间的具有五重旋转对称性的构型，这正是谢赫特曼发现的奇异材料所具有的原子结构，也就是所谓准晶。谢赫特曼后来因此获得了诺贝尔化学奖。

不过，故事并没有到此为止，实际上这只是一个开端。谢赫特曼发现的合金是人工制造出来的，那么自然界中是否也存在准晶？

斯坦哈特的主要研究领域是宇宙学，探寻宇宙的起源，在这一领域里他成了世界著名的专家。不过，他仍然关注着准晶。他指导学生开发出软件，通过对自然界中各种矿物的X射线衍射图进行分析，寻找可能存在的准晶。最终，他们在一个意大利博物馆收藏的某种奇特矿物中，发现了准晶存在的迹象。

但是，这矿物究竟是什么、来自哪里？语焉不详的档案记录中并没有足够的信息。于是，作者带着我们走上了奇妙的寻根问底之旅。

经过一系列真正的“侦探”工作，最终，作者带领的科考队来到了俄罗斯堪察加半岛荒野中的一条河流旁，开始搜寻自然产生的准晶。而他们的发现告诉我们，这种奇妙物质到底是如何产生的。

本书讲述了作者在探寻准晶过程中的种种经历，以及所遇到的各种奇人奇事，从作者的老师、天才物理学家费曼，到唯利是图的官员。作为一位世界一流的科学家，作者在书中还分享了自己在科学研究中所体会到的各种趣味和惊喜，以及对壮美的大自然、奇妙的宇宙历史的感受。

（作者系中国科学院国家天文台研究员，本文为《第二种不可能》序言）