转贴 关于2011年诺贝尔化学奖的文章

引言] 今年的诺贝尔化学奖， 引出了准晶体与准科学家的故事，平添许多乐趣。正好俺过去的工作跟这个研究有些关系， 因而在城里发了些评论。 现在收集起来，略加整理，斗胆为有兴趣的朋友普及，欢迎指正。本文除第一部分以外均为本人原创， 转载请注明来源。

(一)  背景（根据AP报道）

瑞 典皇家科学院10月5日宣布，以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼因发现准晶体独享2011年诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖评选委员会主席拉尔斯·特兰德等人解 释谢赫特曼获奖原因。他们说，谢赫特曼于1982年4月8日首次在电子显微镜中观察到一种“反常理”的现象——他们当时所观察的铝合金中的原子，是以一种 不重复的非周期性对称有序方式排列的，而按照当时的理论，具有此种原子排列方式的固体物质是不存在的。因此，谢赫特曼的发现在当时引起极大争议。为维护自 己的发现，他被迫离开当时的研究小组，但这一发现促使科学家开始重新思考对物质结构的认知。

因为挑战当时的“常识”，谢赫特曼被斥“胡言乱语”、“伪科学家”

“胡言乱语”、“伪科学家”，当30年前谢赫特曼发现“准晶体”时，他面对的是来自主流科学界、权威人物的质疑和嘲笑，因为当时大多数人都认为，“准晶体”违背科学界常识。

“当我告诉人们，我发现了准晶体的时候，所有人都取笑我。”谢赫特曼在一份声明中说。1982年，41岁的谢赫特曼正在美国霍普金斯大学从事研究工作。

“的确，那时候的人们压根不会接受那种晶体的存在。”美国化学协会主席纳西·杰克逊说，“因为他们认为这违反自然界‘规则’。”

因为这些“规则”被视为真理，胆敢“捋虎须”的谢赫特曼自然就备受排挤。

发现“准晶体”后，谢赫特曼花费了好几个月的时间，试图说服他的同事，但一切均徒劳，没人认同他的观点。不仅如此，他还被要求离开他所在的研究小组。无奈之下，谢赫特曼只有返回以色列，在那里，他的一个朋友愿意帮助他，将“准晶体”的有关研究成果公开发表。

最开始，这篇论文也没能逃脱被拒绝的命运，但在谢赫特曼和他朋友的艰苦努力下，1984年，论文终于得以发表，也立即在化学界引发轩然大波。一些化学界权威也站出来，公开质疑谢赫特曼的发现，其中包括著名的化学家、两届诺奖得主鲍林。

“他(鲍林)公开说：达尼埃尔·谢赫特曼是在胡言乱语，没有什么准晶体，只有‘准科学家’。”谢赫特曼后来说。

近30年后，勇敢质疑“常识”的谢赫特曼终于获得全世界最权威的科学认可。“谢赫特曼的发现是科学界最伟大的发现之一，勇敢挑战了当时的权威体系。”纳西·杰克逊说。

(二) 解读: 关键在于旋转对称性（短程）与周期性（长程）

(1) 旋转对称性和平移对称性(周期性) 

一个物体, 在其旋转 360/n 度以后, 如果与原物体重合, 称该物体有  n 次/重 旋转对称性。旋转对称性是局部性质。 如果物质结构局部有旋转对称性， 我们叫它是短程有序。一块砖如果旋转180度，看起来和原来的砖一样。那么这块砖有2次旋转对称性（360/2 = 180）。

在一面墙上， 把一块砖平移一定距离， 那末一定会与另一块砖重合。再平移同样的距离，还会有重合。 这个性质叫“平移对称性”。因为平移会比旋转涉及到更长的距离，这个更长距离叫长程。 平移对称性是长程有序的一种。 平移对称性具有周期性。

(2) 晶体同时具有旋转对称性（短程有序）和平移对称性（长程有序），但只有2,3,4,6次旋转对称性

晶体从结构上， 是具有旋转对称性的单位晶胞，在空间经过重复堆积而成（平移对称性）， 因此同时具有短程有序和长程有序。但记住晶体只有2,3,4,6次旋转对称性。

数学分支群论是了解晶体对称性的钥匙。根据群论， 晶体有 32 点群， 230 个空间群。用X光衍射法解晶体结构的时候， 第一件事就是要确定晶体的旋转对称性，再确定空间群。

（3） “准晶体”也具有旋转对称性（短程有序）和非平移长程有序。但旋转对称性与晶体不同（5，7，8, 10, 12次等旋转对称性），而且没有平移对称性（没有周期性） ！

下面的准晶体模型，您看到五个花瓣的花，就是5次旋转对称性。这在晶体结构里， 是完全不可能的。 现在， 您能理解为什么当初谢赫特曼的准晶体不被科学界接受。1982年， 谢氏只有电镜照片， 人们根本不接受。 到了1987年， 有了X光衍射证据后, 大家就接受了。

图1：准晶体模型（5次旋转对称性！）
5/10次旋转对称性在晶体中根本不可能！（来源： Wikipedia)

图2：准晶体X光衍射图（10次旋转对称性！）（来源： Wikipedia）

 

（4）晶体和准晶体对比：

(a) 旋转对称性细节: 只限于2，3，4，6次（晶体）

(b) 长程有序周期性: 平移性长程有序（周期性）（晶体）； 非平移性长程有序（无周期性）（准晶体）

（5） “准晶体”与耗散结构

普里戈金（Prigogine）的耗散结构是指一个“远离”平衡状态的“开放系统”，由于不断和外环境交换能量物质和熵而能继续维持平衡的过程，对这种动态 “过程”的研究，解释了自然界许多以前无法解释的现象。耗散结构本身的存在是众所周知的。Prigogine的理论是针对耗散结构"动态过程"的深入了解. NOBEL奖励的是"由浅入深".

谢赫特曼（Shechtman）的准晶体是“接近或处于”平衡状态的“封闭系统”。意义在于发现了一种全新的物质存在"结构"：分子排列长程有序但不重复。而晶体则是短程有序的周期性重复而达到长程有序。从早期这个发现不被科学界（包括NOBEL得主PAULING）承认，可以看出这个发现的意义。NOBEL奖励的是"从无到有".

(三) "准晶体"翻译不信, 应该译成"类晶体"

quasi-: like something in someways; quasi-scientific = not entirely scientific
所以 quasi-crystal 叫"类晶体"更合适一些.当时PUALING不接受这个理论, 说的"quasi-scientist" 作为文字游戏, 还是很到位的。这个“quasi", 强调的是不同。但与“科学家”不同， 那就是“假/伪科学家”了。因为强调的是不同，译成中文应该用“类”， 而不是“准”。所以， 俺建议译成“类晶体”。

类: 看起来是, 但实际上不是.

类星体: 在光学望远镜中观察，类星体与普通的恒星"看上去"似乎没有区别.但类星体"实际上"不是恒星.
类风湿: 症状"看起来"象风湿, 但"实际上"不是风湿.
类晶体(本人建议): 电镜/X光"看起来"都有对称性(但细节不同), 但"实际上"不是晶体（短程没有晶胞, 长程没有周期性)

准: 名义上不是, 但实际上接近.

准将: 一般为旅长, 位阶比少将师长低, 但旅不是师的下属单位.要么军, 师, 团. 要么军, 旅, 团.
准妈妈: 怀孕的妇女.
准大学生: 被大学录取, 但还没有入学的学生.

其实欧洲人移民到了美国，取的地名都是"新什么"：NEW YORK, NEW JERSEY, NEW ENGLAND 啥的。咱中国人，喜欢模仿，于是有＂小王府井＂, "小上海", ＂东方的巴黎＂。进而到今天的山寨文化盛行。

Shechtman　大概和我等留学生一样，英语是第二语言，用了个“quasi-”，没想到其中的奥妙。还被鲍林嘲笑为“quasi-scientist”。要是用“neo-crystal”，诺贝尔奖要早得十年！

（by ThatIsDifferent 于文学城博客[太浮闲话]