花30余年尋找準晶的科學家|薦書

《第二種不可能》，[美]保羅·斯坦哈特著，高躍丹譯，浙江科學技術出版社2023年11月出版，定價：119.9元

《第二種不可能》一書可以說是一本以第一人稱敘述的偵探故事，充滿了懸念、轉折和驚喜，令人拿起書后幾乎無法放下。但這里所講的故事都是真實的，其主人公不是一位普通的偵探，而是一位世界著名的科學家，他所追查的也不是罪犯，而是自然界中的一個奇跡——準晶。為此，他花了30多年時間。

什么是準晶？它是一種有點類似晶體，但又不是晶體的物質。晶體是常見的，例如水晶等天然礦物，甚至普通的食鹽都是晶體。原子規則地排列在一起就形成了晶體。

晶體學家早已用數學方法證明，只有那些具有二重、三重、四重、六重旋轉對稱性的結構可以實現周期性的排布，形成晶體。這對于學過固體物理或礦物學的大學生來說是常識。

因此，20世紀80年代，當一位以色列冶金學研究者謝赫特曼發現某種鋁合金中存在著五重旋轉對稱性時，很多人認為他犯了低級錯誤，因為五重旋轉對稱性的構型不可能形成晶體。

從事理論物理研究的本書作者保羅·斯坦哈特卻在研究中發現了雖不具有周期性，然而仍可以布滿空間的具有五重旋轉對稱性的構型，這正是謝赫特曼發現的奇異材料所具有的原子結構，也就是所謂準晶。謝赫特曼后來因此獲得了諾貝爾化學獎。

不過，故事并沒有到此為止，實際上這只是一個開端。謝赫特曼發現的合金是人工制造出來的，那么自然界中是否也存在準晶？

斯坦哈特的主要研究領域是宇宙學，探尋宇宙的起源，在這一領域里他成了世界著名的專家。不過，他仍然關注著準晶。他指導學生開發出軟件，通過對自然界中各種礦物的X射線衍射圖進行分析，尋找可能存在的準晶。最終，他們在一個意大利博物館收藏的某種奇特礦物中，發現了準晶存在的跡象。

但是，這礦物究竟是什么、來自哪里？語焉不詳的檔案記錄中并沒有足夠的信息。于是，作者帶著我們走上了奇妙的尋根問底之旅。

經過一系列真正的“偵探”工作，最終，作者帶領的科考隊來到了俄羅斯堪察加半島荒野中的一條河流旁，開始搜尋自然產生的準晶。而他們的發現告訴我們，這種奇妙物質到底是如何產生的。

本書講述了作者在探尋準晶過程中的種種經歷，以及所遇到的各種奇人奇事，從作者的老師、天才物理學家費曼，到唯利是圖的官員。作為一位世界一流的科學家，作者在書中還分享了自己在科學研究中所體會到的各種趣味和驚喜，以及對壯美的大自然、奇妙的宇宙歷史的感受。

（作者系中國科學院國家天文臺研究員，本文為《第二種不可能》序言）