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美伦美奂的穹顶建筑与材料的微结构-第3章

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可以铺满一个地面,正方形的砖也可以铺满一个地面,六角面的砖也可以铺满一个地面。但是正五边形、正五角形和正八角形都不能够铺满地面,都会留出空隙来。所以呢,很早以前,晶体学家就说出来了,说我们不能用正五边形,晶体学里面不允许有五边形,因为一个物质里面不能有空洞,都得填满,那么你用五次对称的东西填不满,那么晶体呢,都是很多晶胞组成的,就跟我们人身体里面很多细胞组成的一样,晶胞都是一样的,跟人的细胞不一样,细胞有不同的细胞,晶体里面的晶胞都是一样的,在空间里面,无限地延伸,你像这里的三角形或者说正方形,它可以在一个平面的两个方向延伸开来,复制开来,周期的排列。我讲的周期是空间的周期,它也可以在正方形的法线方向排下去,变成一个立体的,一个立方形的晶胞的三维排列,周期性排列,所以有的人说,晶体尽管它很漂亮,玲珑剔透,但是它是死的,因为它没有变异,怎么长它都是一个相同的晶胞,没有新的东西,它不可能生长新的,没有变异。但是五边形的东西就排不了周期。下面看到,它排出非周期的,不是周期的排列,非周期的东西排出来就可以有生命,那么现在我们看看,在自然界里面有五重对称的东西。右下角,这个叫“辐射虫”,在海底下的。最下角是一个五次对称的,二十面体对称,你看一个五重对称的球,左边,左下角,五重轴在上面,下去,你看有五个瓣, 自然界里五重对称是很多的。荷兰有个画家叫Escher,非常有名,他画了很多跟对称有关的画,左边是一个海星,在二十面体的十二个顶点上放一个海星,海星尽管它不是直的,弯弯曲曲的,但是它是五次对称的,每转72度,它重复一次,然后它在三个五角形的中间是个三次对称,他放了三个贝壳,这是他画的一幅画,但是它是五次对称的。 

    右面也是他画的,那是个小爬虫,从小一直变大,那个白的,那里面还有黑的,可惜看不见了,它是布满了白的、黑的,三种颜色爬虫在一起,你们可以看到的,明显的是三个黑的爬虫,从小变大,这五次对称允许它逐渐逐渐变大。所以1930年左右,这个画,他的题目就是“发育的”,所谓的“发育的”就是有机的,不是像晶体的晶胞是死的。1984年以色列的科学家叫Shechtman,他在急冷的铝、锰里面,发现了五重对称的微结构。那么后来有人给它拍成电子显微像,就像花一样,它叫做二十面体花,你看一个花瓣五个瓣,右上角五个瓣,然后右边又一个花,五个瓣,左上角也是个花,也是五个瓣,这三个,五个花瓣的花,是满足三次对称的要求,也就是二十面体对称了,既有五重对称又有三重对称,这个是铝、锰里面的实物,扫描电子显微像。那么后来做它的会聚束电子衍射,你看看有五个很亮的斑,最外圈有五个,里面还有五个,那么这也是显示它内部的结构,原子排列是满足五重对称的,所以他1984年发表的时候,就有五重对称的证据,不过后来呢,人家用扫描电子显微镜和会聚束电子衍射,把结论做得更明确一点。 

    下面是个中国的科学家,叫鄢彦发,他在2000年左右,在美国用一种特殊的电子显微镜,可以拍到原子像。每一个亮点就代表原子,那么点越亮,表示原子量越大,我这里有铝、有镍、有钴,大家知道,镍和钴的原子量都很大,跟铁差不多,那么铝就比较轻了,小好几倍。这个准晶五次对称,在1984年发展起来,立刻在全世界引起轰动。德国的最大博物馆,慕尼黑的德意志博物馆,就在墙上做了五次对称的一个大的画面,小孩坐在那里,大家可以知道它的尺寸。 

    芬兰更厉害,它索性把五次对称,做成一个砖面,后面是它的科学馆,它在地上就铺成五次对称的图案。从左面数第二个人,是中国科学院当时的院长周光召同志,这个科学馆是1989年建成的,我们正好在那儿参观,于是这个芬兰招待方就请我们去参观它的科学馆,而在它的科学馆前面就铺了很大面积的,五次对称的准晶的结构。 

    最后我想讲一点感想,不管穹顶是几十、几百米大,或者是我的微观结构,病毒也好,碳60的球也好,或者准晶里面的原子排列也好,球状的,五重对称的,它的基本原理都是一个,就是多面体。所以学一点多面体是必要的。第二个是博学与专的结合。大家可能看起来很简单,这就是一个多面体嘛,结果是,Kluy因为细菌的研究,得了1982年的化学奖、诺贝尔奖。那三个人呢,搞碳60的,1996年得了诺贝尔化学奖。Shechtman发现了准晶,也得到瑞典科学院的最高的晶体学奖,好像得来全不费功夫,就抓来了,实际不然,他们都有很雄厚的本学科的基础,所以他既博,就是从别的学科里面得到营养,他们都从穹顶建筑得到营养,但是你还要结合,你在本专业要不精,恐怕也不会有这些发现,所以对将来想从事科学研究的人,我们专是必要的,但是不博也不行。好,谢谢大家。 

    主持人:好,咱们接下来,先看一看来自凤凰网站网友对郭老的提问。这第一位网友叫“中国人非常可乐”。他说,30年代,荷兰画家艾舍尔刚才您提到了,曾经描绘出五重和八重旋转对称结构的图象,那样子非常像郭老50年后发现的准晶。所以我要问两个问题,第一是我们自己的科学家,是不是大多不大关心艺术成就,如果关心的话,恐怕30年代,就可以按照艾舍尔画的画,按图索骥,一举发现准晶,不必等上半个世纪;第二,听说准晶新结构,实际上是郭老在世界上第一个发现的,为什么郭老在演讲中,只提以色列,缄口不提自己是世界第一,我知道您这是在谦虚,但是这种作风很不好,不利于扬我国威。这是网友的提问,两个问题。 

    郭可信:第一个问题好解答,这个艾舍尔在30年代的画,发表之后,他的画册在科学界里流行,在艺术界对他的评价不高,认为他的画艺术性不强,但是科学界很欣赏他的画,因为他的画体现了我们晶体学家研究的各种对称。所以,不是大家不知道他的画,而是你看到了画,但是没有实验证明,你还是不敢预言它。 

    主持人:这个实验要等50年吗? 

    郭可信:差不多50年。但是五重对称的概念,因为时间的关系我没有讲,从40年代逐渐就发展出来的,不是说到80年代突然(出现的)。 

    主持人:那不是一个意外的发现。 

    郭可信:也是个意外的发现,但是这个概念,有个科学继承与发展的关系,任何的科学后来的新概念,它不是孙猴子从石头缝里崩出来的样子,它都是有轨迹可循的。譬如说,我随便举个例子,有个英国很伟大的物理学家,他叫富兰克,他就研究了过冷现象,就是水应该在零度结冰,但是往往你要冷到零下5度才结冰,零度它还不结冰,他说为什么呢?就是因为水的分子是按五重对称,二十面体那么排列,那么你到零度的时候,在液体的时候,你首先要把水的二十面体对称的分子,把它打破了,然后它才能结冰,变成一个晶体,冰是晶体了,他说,在零度的时候,还没有足够的能量去把二十面体的水分子打碎,它还抱团,就结不成冰。他在1952年有这个概念,而这个被研究液体结构的人接受了,甚至被(研究)玻璃的人也接受了,我们知道玻璃它不是晶体的,它的意思是玻璃里面也是二十面原子团。那么你要玻璃结晶,现在也有结晶玻璃了,你首先也要加热,把这二十面原子团打碎,然后它才能够变成一个周期排列的晶体,所以它有个过程,有迹可循的。但是真正你找到一个物质,它完全是二十面体排列一个晶体。 

    主持人:耗费了50年,半个世纪的时间。好,第一个问题回答完了。 

    郭可信:第二个问题呢? 

    主持人:不利于扬我国威。 

    郭可信:我们是1983年开始研究高温合晶里面的内部结构。那么在1984年得出五重对称的概念,然后我写了一篇论文,预备带到美国去宣读,可巧我那年感冒了,我有很严重的气管炎的病,所以我今天穿个高领毛衣,结果病倒了,我没有去成,后来才把它写成论文,所以我们关于五重对称,关于准晶的文章,是独立地进行的,在钛里面美国是铝合金,我们是钛合金,但是我们发表的时候是1985年。 

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