第二種不可能

《第二種不可能》是物理學家保羅·斯坦哈特耗時三十五年的科研手記，也是一場跌宕起伏的科學探險紀實。全書以第一人稱講述準晶體的發現之旅：傳統物理學認定五重對稱有序物質絕無存在可能，而作者與學生敏銳抓住經典定律的漏洞，大膽提出準晶理論，頂着學界質疑，從理論推演、實驗室合成，遠赴遠東深山尋覓天然樣本，最終證實了這種全新物質形態的存在。 書中釐清了兩種“不可能”的本質區別：真正物理規則無法實現的是第一種不可能；固守權威、侷限固有認知而否定新生事物，便是阻礙科學進步的第二種不可能。作品褪去科研文獻的枯燥，兼具偵探小說的懸念與科普讀物的通俗，既展現了前沿材料科學的魅力，更詮釋了質疑權威、持之以恆的科研精神。它不僅記錄了一次改寫物質認知的重大突破，更教會讀者打破思維桎梏，在看似無解的絕境中探尋全新可能，適合科學愛好者與願意突破固有思維的所有讀者閱讀。

#科學大師書系：第二種不可能 The Second Impossible 這本書是11月纔出版的，我是第一個讀者。這段時間發現，很多科學類的書籍讀者都寥寥，除了知名度很高的已故著名物理學家霍金所著的《時間簡史》。大部分讀者還是喜歡消遣類的作品，是的，生活已經很不容易了，何必讓自己太累？ 歷時35年的科學冒險，講述不可能存在的物質——準晶的發現故事。20世紀80年代初，保羅·斯坦哈特和他的學生在一條堪稱完美的科學定律中發現了一個漏洞，這個漏洞讓他們意識到創造新物質形式的可能性。在此基礎上，他們發展出一種理論，描述了長期以來被認爲“不可能存在”的新物質形式——準晶 quasicrystal. “第一種不可能”意味着數學上或物理上就無法實現，如1+1不可能等於3、不可能製造出永動機。“第二種不可能”則是事件發生的幾率太低而“不可能”，如“猴子寫出莎士比亞詩句”，但這第二種不可能往往意味着重大發現。 兩千多年前，柏拉圖就提出數學上只存在五種正多面體，被稱爲“柏拉圖多面體”，柏拉圖以此構造他的宇宙模型，並提出“第五元素假說”（因爲希臘人認爲只存在“風火水地”四種基本元素）。現代科學家發現，自然界中存在着以前三種柏拉圖多面體構造的天然晶體，（如鑽石是正四面體、食鹽晶體是正六面體），但找不到以後兩種柏拉圖多面體（即正12面體和正20面體）構造的晶體。原因其實也很簡單：以這兩種多面體爲基本單元，無法填滿整個空間。 作者發現，以一種“彭羅斯拼圖”爲基本單元的模式，可以以“非週期性”的方式填滿空間，這種模式在數學上是可行的，而且具有“五重對稱性”，也就是說“準正12面體”和“準正20面體”結構的“準晶體”，理論上是可以存在的，只是因爲太難形成而成爲“第二種不可能”。 在理論的指引下，他們逐步走出實驗室，跨越大洲和大洋，走進堪察加半島，最終發現了隱藏在大自然中來自隕石的天然準晶。 保羅·斯坦哈特想通過自己的故事告訴大家，如果一個人可以揭露潛在的假設並找到長期被忽視的漏洞，第二種不可能將會是一座潛在的“金礦”，這將是科學家獲得突破性發現的難得機會，也許是一生唯一的機會。

《第二種不可能》講的是一個科學冒險的故事，充滿懸念和反轉，但所述卻都是再真實不過的事情。作者保羅·斯坦哈特，正是新物質準晶的發現者之一。 前言 爲期30年的探索 從作者後續在自然界的探險經歷講起。作者保羅·斯坦哈特是一名理論物理學家，來自普林斯頓。他此時帶領一個由俄羅斯、意大利和美國科學家組成的團隊去尋找一種在太空中穿行了數十億年的稀有礦物，這可能是一次無望的探索。 大多數時候，科學家所說的“不可能”指的是一些真正不可能的事情，比如違反能量守恆定律或創造永動機。而另一種情況下，一個想法之所以被判斷爲“不可能”，是基於在某些從未被考慮過的情況下可能會違反的假設，即“第二種不可能”。第一種不可能，意味着無法實現，第二種不可能，意味着驚人發現。 第一部分，讓不可能成爲可能 1，不可能 在作者剛剛闡述完一種描述新物質的革命性概念後，著名的費曼先生脫口而出“不可能！” 費曼先生是作者的一位導師，教給他最重要的事情之一是，一些最令人興奮的科學驚喜就藏在日常現象中，需要做的就是花時間仔細觀察，然後提出一些好問題。對任何不同領域的探索都是可以接受的，前提是一切都是在好奇心的引導下進行的。 “愚蠢”是費曼對每個人（包括他自己）都會使用的一個詞，目的是將注意力集中在錯誤上，以防再犯同樣的錯誤。但他所說的“不可能”並不一定意味着“無法實現”或“荒謬”。有時意味着，“哇！這裏有一些驚人的發現，與通常所認爲的真實事物相矛盾，非常有了解的價值”。 之後，是關於晶體學的歷史。1801年，阿維的傑作《礦物學概論》出版，彙集了他的研究結果，展示了他在收集樣品時發現的“晶體對稱定律”。他證明礦物是由某種原始的建構模塊構成的，他稱之爲“構成分子”，它們不斷重複排列，從而形成礦物。同類礦物由相同的建構模塊構成，無論它們來自世界的哪個地方。隨後，英國科學家約翰·道爾頓提出，所有物質，不僅是礦物，都是由不可分割、不可摧毀的一種單元構成的，這種單元就是“原子”。道爾頓把古希臘哲學意義上的原子假說變成了可檢驗的科學理論。道爾頓得出結論：原子是球形的。 人們探索了幾十年，最終促成了一個新的關鍵科學領域的誕生，即“晶體學”。基於嚴格的數學原理，晶體學也對其他科學領域產生了巨大影響，包括物理學、化學、生物學和工程學。晶體學成功地解釋了與許多不同學科相關的諸多物質的屬性，被視爲19世紀偉大的科學成就之一。 晶體學基礎的三個原理是：第一，只要有足夠的時間讓原子和分子有序排列，所有純物質（如礦物）都會形成晶體；第二，所有晶體都呈原子的週期性排列，這意味着它們的結構完全由阿維的其中一種原始建構模塊構成，即單個原子團簇以等間距在任何方向上不斷重複排列；第三，每一種週期性的原子排列都可以根據其對稱性來分類，並且可能的對稱類型是有限的。 “週期性平面填充”常見於廚房、天井、浴室和入口通道的鋪設，通常由5種基本形狀中的一種構成：矩形、平行四邊形、三角形、正方形或六邊形。不存在其他構成周期性平面填充模式的基本形狀。一重、二重、三重、四重和六重對稱性是二維週期性模式允許的所有旋轉對稱。五重對稱性是不可能的。但這不是唯一被禁阻的對稱性，被禁阻的還有七重、八重和其他更多重的對稱性。 只有特定的模式才能在不產生間隙的情況下組合在一起。晶體在不同的觀察方向上有不同的旋轉對稱性。規律性重複的三維結構和週期性晶體唯一可能的對稱性是一重、二重、三重、四重或六重。從這個核心衍生，可能的對稱性從14種增加到230種。但在所有這些可能性中，五重對稱性在任何方向上都是被禁阻的。也就是說，五邊形地磚的鋪設，會產生空隙。 將X射線沿着旋轉對稱線穿過晶體，所得到的衍射圖像就具有與該旋轉對稱性完全相同的對稱性。用X射線沿不同方向照射晶體，可以揭示其原子結構所具有的全部對稱性。通過控制X射線的波長和方向，他們發現精確的衍射圖像不僅可以用來重建對稱性，還可以用來重建整個晶體的詳細原子排列，這些針點被稱爲“布拉格尖峯”。 當不同的原子團以不同的間隔重複出現，數學家稱這種模式爲“準週期”。因此，作者將自己的理論發現簡稱爲“準週期晶體”或“準晶”。 2，彭羅斯難題 作者在本章中，從理論上解釋五重對稱性是如何被攻克的。作者設計了一種軟件，可以基於原子鍵沿着不同方向的排列程度來測試，並可以給每一種對稱性打分。不可能的二十面體對稱性，一種被禁阻的對稱性的得分比其他對稱性的得分高得多。二十面體不能面對面、邊對邊或以任何不在它們之間留下大間隙的方式整齊地拼合在一起。他因爲這個有趣的發現，收穫了學生萊文。 彭羅斯填充，代表一種數學難題的平面填充，因爲彭羅斯經常手繪解決而聞名。喜歡這項愛好的數學家已經討論了很多年：有沒有可能找到一組地磚，可以不留縫隙地鋪滿地板，而且只能以非週期性的方式來鋪？ 1974年，彭羅斯取得了重大突破，他用兩種填充形狀就解決了這道難題，“風箏”和“箭頭”，每個填充形狀都標有圓弧。只有當接縫邊緣兩側的絲帶匹配時，兩個圖形才能邊對邊地連接在一起。遵循這一“匹配規則”可以防止圖形出現任何規律性的重複模式。基於這個結論，作者和萊文構建出了一個更簡單的版本，這種平面填充由一對寬菱形和窄菱形構建而成。 彭羅斯平面填充的第一個顯著特徵是，它們有一種微妙的五重旋轉對稱性。從技術上來講，彭羅斯平面填充不僅具有五重對稱性，實際上還具有十重對稱性。根據平面填充的數學原理和晶體學的既定定律，這兩種對稱性都是被嚴格禁阻的。這意味着晶體學定律肯定存在錯誤的假設，而且200多年來都沒有人發現。 彭羅斯平面填充遵循一種叫作“收縮規則”的規律。也就是說，彭羅斯平面填充中的每個寬菱形和窄菱形都可以被細分成更小的碎片，從而創建另一個彭羅斯平面填充。相反的過程也是如此，即用更大的平面填充替換更小的一組，這被稱爲“膨脹規則”。收縮規則和膨脹規則證明彭羅斯平面填充有某種可預測的層級結構。 3，找到漏洞 作者發現數學家羅伯特·安曼已經獨立發現了使菱形強制產生五重對稱性的匹配規則，類似於彭羅斯的發現。令人難以置信的是，他還發明瞭另一套具有匹配規則的圖形，可以強制實現同樣不可能的八重對稱性。安曼線提供了避開那些既定定律的線索，並解釋了彭羅斯平面填充中神祕的對稱性。 最重要的兩點分別是兩個通道寬度之間的比值和它們在模式中重複的頻率。這兩個特徵——比值和序列，與兩個非常著名的數學概念有關，分別是“黃金分割率”和“斐波那契數列”。黃金分割率本身與五邊形的幾何形狀直接相關， 由兩個以不同頻率重複的元素組成的序列，其元素出現的頻率的比值是一個無理數，這樣的序列被稱爲“準週期序列”。一個準週期序列永遠不會出現相同的重複。 晶體學的基本定律是：如果填充圖形或者原子的排列圖案是週期性的，以單一的重複頻率出現，那麼只有某些特定的對稱性是可能的。特別是，對於週期性的原子排列來說，沿任何方向的五重對稱性都是不可能的，我們可以稱之爲第一種不可能，即絕對不可違反。而任何類型的物質都不可能具有五重對稱性，其實是第二種不可能。基於一種並非總是有效的假設。 彭羅斯平面填充雖然是有序排列的幾何案例，但不是週期性的。它是準週期性的，它具有以兩種不同頻率重複的填充圖形或原子，重複的次數之比是無理數。這就是作者一直在尋找的漏洞。 科學家一直假設原子在物質中總是呈週期性或隨機性排列，而從未考慮過準週期排列。如果真實的原子可以以某種方式排列成一種模式，以兩種不同的頻率重複，這兩種頻率的比例是無理數，那麼它將是一種全新的物質形式。 4，雙實驗室並行記 自從發現準週期排列是利用禁阻對稱創造新物質的關鍵，作者就一直在按照自己制訂的計劃發展關於新物質形式的理論，其目標是用準週期排列創造出一個三維結構：一個具有禁阻對稱性的二十面體。這個二十面體就像每個其他三維物體一樣，在不同方向具備不同的旋轉對稱性。禁阻五重對稱沿着6個不同的方向出現。 雖然準晶有可能從數學上得到證明，但是相比於簡單的週期性晶體，準晶過於複雜以至於不太可能在真實世界存在。他們需要用實驗證明存在可以排列成真實準晶的原子組合。 誰知，有人已經在做這件事情了。 馬里蘭州蓋瑟斯堡，在美國國家標準局擔任客座顯微鏡學家的以色列科學家謝赫特曼，其任務是使用電子顯微鏡來對樣本進行研究、識別和歸類。實驗室的冶金學者對創造由鋁和錳組成的合金尤其感興趣。1982年4月8日，謝赫特曼用顯微鏡分析了一件快速淬火後製成的鋁錳合金樣本，這個樣本有着微小的羽毛狀顆粒，近似於五邊形。每個人都認爲，這種奇怪的衍射圖像可以被解釋爲某種被稱爲“反覆孿晶”，指向着不同角度延伸的三顆或更多晶粒結合在一起。 但再次觀察和實驗中發現，無論從鋁錳合金樣本的哪個部分看，他發現的都是不可能的十重對稱。與作者的準晶理論不一樣的是，謝赫特曼和布萊克設計的模型不是準週期性的，是隨機性的。不幸的是，謝赫特曼-布萊克模型的相關論文被拒了。 5，振奮人心的故事 本書作者的朋友，科學家戴維·尼爾森同他見面時，給他看了一篇文章《一種長程定向有序但不具有平移對稱性的金屬相》。這篇預印論文的作者，正是謝赫特曼和布萊克。 保羅以爲他和萊文的成果被剽竊。但後來發現這片論文僅僅宣佈了實驗數據，沒有進行理論解釋。論文裏經過實驗測量的衍射圖像，和作者與萊文爲準晶預測的衍射圖像波峯，一模一樣。是的，在作者以理論假設準晶結構的同時，實驗室中，已經生成了同樣結構的鋁錳合金。兩支科學團隊在完全不知道對方付出的情況下，成功地獲得了完全獨立但絕對互補的科學突破。 作者發表了論文，將這種物質形式的名字介紹給科學界：“準晶——一種新型的有序結構體。” 兩支科學團隊，也終於見面了，其過程令人心醉、耗盡心力卻又振奮人心。當這項科學突破在全世界傳播開來時，作者驚訝地發現世界其他地方也有科學家一直在進行相關研究。在這些科學家與其溝通想法之後，他完善了自己的理論。推測同時具備所有3種特性的填充圖案可能是理解真實的原子熔液如何凝聚成準晶的關鍵。這3種特性分別是匹配規則（互鎖結構）、安曼面和收縮-膨脹規則。準晶的生成方式都將遵循這三種特性之二或全部。 作者與其他科學家繼續研究探討，最後發現，對於三維的二十面體對稱來說，存在同時符合匹配規則、安曼面以及收縮-膨脹規則的建構模塊。它們具有二維彭羅斯平面填充的所有特性，但對稱性要複雜得多。這項研究有望解釋真實生活中具備二十面體對稱性的準晶。他製造了這樣的三維建構模塊。這個概念已經從抽象的二維彭羅斯平面填充世界延伸至真實的三維物質世界。但科學界有一個越來越強烈的共識：準晶是不可能真實存在的。 6 ，完美的不可能 這個理論可能在科學界引發了很大的轟動，並催生了一系列不可思議的新發現。科學家開始將鋁和除錳以外的其他元素合成在一起，發現了更多具有二十面體對稱性的準晶合金。他們發現一種材料具備八重對稱，還有具備十重對稱和十二重對稱的，這些都堅實地證明了具備其他對稱的物質是存在的，而在此之前，這被認爲是不可能的。 而批評的聲音也很多，比如諾獎得主鮑林認爲所有已經被發現的特殊合金都屬於反覆孿晶的複雜案例；還有人提出了二十面體玻璃模型理論。科學界遲遲不肯接受準晶的另一個原因是，準晶從本質上來說更加理論化，它主要基於對彭羅斯平面填充的詳盡研究。真正的準晶是不可能獲得的，因爲沒有一種看似合理的方式來“生成”準晶。生成過程中會出現許多缺陷，所以形成任何類似於真實準晶的物質都是不可能的。 這場爭論被兩次突破化解了，一次來自理論，另一次來自實驗。理論上的突破伴隨着一種替代性規則的發現，它可以替代彭羅斯的互鎖規則，稱之爲“生成規則”。日本的蔡安邦則和他在日本東北大學的合作團隊宣佈發現了一種漂亮的新二十面體準晶，由鋁、銅和鐵元素合成。這是首個毫不模糊、真實可信的二十面體準晶樣本。 準晶最終被認可爲一種真實的物質形式。不過，難道它只能在實驗室裏被合成？ 第二部分，追索開始了 7 ，自然打敗過我們嗎 肯·德菲耶這位地質學者，想了解有沒有人知道自然界中是否存在準晶。國際衍射數據中心旨在從全世界的實驗室收集關於物質材料及其X射線粉末衍射圖像的信息。專家通常使用該數據庫來對比他們正在研究的衍射圖像和之前已知材料的衍射圖像。 將X射線照向聚集在一起的顆粒，就產生X射線粉末衍射圖像，這類圖是將所有顆粒的衍射圖像合併在一起形成的。將銳利的針點衍射圖像放在轉盤上快速轉動，每個點都會變成一個模糊的圓圈。作者和學者陸述義竟然通過圓圈的間隙和亮度等信息，識別出了潛在的準晶，並推測出雪花狀衍射圖像。 將合成準晶作爲不粘鍋塗層是這種新物質形式早期的商業應用之一，該塗層由法國準晶學家讓-瑪利·杜布瓦及其研究團隊設計並取得專利，這種塗層順滑，耐性更好。 但作者的團隊識別、收集並檢測的所有礦石都不含準晶。 8，新夥伴盧卡·賓迪 賓迪是佛羅倫薩大學附設的自然歷史博物館礦物部的主任，並提出想幫忙研究該博物館藏品中發現的任何潛在準晶的候選礦石。他決定專注於稀有礦石，只聚焦於包括金屬鋁和銅的礦石。鋁鋅銅礦石被列在國際礦物學協會的官方目錄中，這意味着它的構成和週期結構已被廣爲人知。賓迪發現一塊“鋁鋅銅礦石”的礦石顆粒包含着非常複雜的構成物質。通常都認爲二鋁銅晶體是該礦石的主要組成部分。賓迪唯一的目標就是儘快分離出單個的礦石顆粒，這樣就能取得X射線衍射圖像。 分析發現，其中的一些顆粒很有可能包含天然準晶。只是這些顆粒太小了。 9 ，“準”新年快樂 學者姚楠和作者都認爲，他們應直接跳到最重要的檢測上：對樣本的單個晶粒進行穿透式電子衍射。 穿透式電子衍射的優點是，它利用的是一束精確聚焦的電子束，這束電子束能對準一片碎屑內的很多不同晶粒中的一個微小晶粒進行穿透，結果就會得到一幅直接的衍射圖，它可以揭示原子排列的對稱形式。 但檢測這份樣本是一項艱鉅的挑戰。首先需要把顆粒從玻璃纖維上移下來，將其分成很多微觀的單個晶粒；然後在所有這些晶粒中挑選，找到對於電子束來說足夠薄且可以穿透的晶粒。 排除萬難以及歷盡千辛之後，他們得以操作成功，他們的晶粒產生了一種漂亮的菊池圖樣。這份圖樣包含十根輻條，以十重對稱的形式排列，一組針點衍射圓點，它們以雪花狀樣式排列，構成五邊形和十邊形，這是理想的二十面體準晶的標誌性圖像。 這是天然準晶的首次發現時刻。這顆晶粒有着完美的二十面體對稱性。兩種物質從世界的兩端得來，一個是在日本的一家實驗室裏製造出來的，另一個是天然形成的，來自意大利。現在，這兩塊礦石被發現有着近乎完美的匹配度。 10，當你說這不可能的時候 岩石學專家霍利斯特對他們成果的質疑是：他們在佛羅倫薩的樣本中發現的準晶是自然形成的，形成過程沒有受到嚴格的控制，並且跟其他礦物質一起擠在合金裏。準晶和晶體鋁鋅銅礦石都包含遊離態的金屬鋁。但他聲稱，自然界中還沒有出現過遊離態金屬鋁或任何包含鋁金屬合金的樣本。我們日常生活中遇到的金屬鋁都是由從氧化鋁中分離出來的遊離態金屬鋁合成的。 如果要給出某種自然的解釋，就必須得找到鋁金屬輕鬆地與氧分離的情況。這需要極高的壓力，只有地表3000米以下接近地核-地幔邊界的地方纔有可能具備這種條件。還需要一種機制，它能將遊離態金屬鋁帶到地表上來，這個過程要非常迅速，以免礦物質分解，以及在帶回的過程中鋁和氧發生反應。 地球科學家傑森·摩根曾經提出了一個理論：地殼中有可能存在超級地幔柱，一種從地核-地幔邊界向地表噴湧的管狀物質。這種方法可以將遊離態金屬鋁帶到地表。霍利斯特說，如果樣本是在地核-地幔邊界形成的，並通過超級地幔柱被帶到了地表，那麼這將是這一理論的首個直接證據。” 而麥克弗森聲稱，從未有人見過任何包含遊離態金屬鋁或鋁合金的樣本。 這二人的論點都基於一系列合理但沒有經過證明的科學假設之上。 11 藍隊與紅隊的對決 作者認爲，讓霍利斯特和麥克弗森加入研究至關重要。他們四個人的專業知識會形成互補，而且極度懷疑態度對研究來說也是一種優勢。就像費曼先生曾說過：“首要原則是：你絕不能欺騙自己，而你又是最容易被自己欺騙的人。” 在關於準晶的研究上，霍利斯特和麥克弗森都是反對者，他們是紅隊的完美人選。作者和賓迪代表藍隊，主要負責收集探索性的證據。 許多科學家已經發表了很多論文來論證大自然中發現純遊離態金屬鋁的事實。這種鋁就是不與銅或其他金屬混合的鋁，是純鋁，與樣本中的鋁一樣。作者購買了許多材料樣本。不同的科學論文提出的理論也各不相同。 12 上帝若非有意捉弄，就是太過任性 這些材料樣本里都沒有準晶，看起來，藍隊要敗了。 但是，有確鑿的證據證明，佛羅倫薩的鋁鋅銅樣本和其中的準晶是天然的。他們也在論文中明確了這一點。一篇論文如果如實地呈現支撐證據，再加上明確說明論文的侷限性，那麼它在科學上就是真實可信的。發表後的影響喜憂參半。而紅隊依然認爲沒有天然的準晶。 13 神祕的祕密日記 繼續追溯那塊佛羅倫薩的樣本。礦石商人科克科克的一本祕密日記，是用來記錄那些存在合法性問題的採購，包括在可疑情況下獲得的礦物的。 14 關鍵人物——瓦列裏·克里亞奇科 根據尼柯·科克科克的祕密日記，佛羅倫薩的鋁鋅銅礦石樣本來自列昂尼德·拉津。抽絲剝繭之後，發現礦石是由一個叫克里亞奇科的俄羅斯人發現的。在克里亞奇科進入研究生院之前，拉津給他提供了一個獲得寶貴田野調查經驗的機會。1979年，拉津派年輕的克里亞奇科前往裏斯特芬尼妥伊支流尋找鉑。就是在這個過程中，克里亞奇科找到了礦石，並交給了拉津。 可以得出的結論是，拉津根據克里亞奇科的口述內容寫了那篇論文，但沒有邀請他作爲合著者。 15 罕見之物中包藏着某種不可能 加州理工學院教務長、著名地質學家埃德·施托爾珀堅定地認爲樣本不可能是合成的：“這絕對不是渣滓，也不是人工產物。”他建議分析樣本中稀有氧同位素的“丰度”。 結果是，在佛羅倫薩的鋁鋅銅礦石樣本中發現了重矽石，因而，這份樣本確實是天然的。創造它所需的壓力在任何工業過程中都是不可能達到的。重矽石是超高壓現象的標誌，這種超高壓力遠遠超出了地球表面發生的任何正常地質活動所能達到的壓力。 樣本中的重矽石圍繞着二十面晶體，準晶在形成重矽石所需的高壓下被留存下來的事實揭示了一條重要信息，即當重矽石形成時，準晶就已經存在，它們一起以某種方式承受住了與人類活動毫無關聯的超高壓力。這就是霍利斯特和麥克弗森一直在尋找的自然源頭的直接證據。 16 二十面體石 國際礦物學協會新礦物命名及分類委員會承認了作者發現的準晶是一種天然礦物，也接受了提議的名稱“二十面體石”，這是對第一個被列入官方目錄的已知具有二十面體對稱性的礦物質的恰如其分的命名。 第三部分　去堪察加半島，否則等着“項目流產”吧 這一部分，都是關於野外考察和收集礦石的驚險經歷，無比坎坷，跌宕起伏，卻也無比讓作者懷念。 17 失蹤 作者招募了一支專家團隊，並在不到10個月的時間完成了所有的規劃和準備工作。探險隊由7名俄羅斯人、1名意大利人和5名美國人組成的國際團隊聚集在一起，還有一隻俄羅斯藍貓。他們開了兩輛卡車，而有一輛，差點失蹤。 18 失而復得 在作者慌亂之際，另一輛載着他兒子的卡車終於出現。 他們會採蘑菇來補充食材，他們還會遇到熊。他們的卡車一會兒驅動行駛，一會兒漂流，就這樣一路漂過了哈泰爾卡河。在泥濘和步履坎坷的跋涉後，在風餐露宿之後，在蚊蟲和寒冷交替攻擊下，他們找到了一些拉津論文中的那種藍綠色黏土。 19 99% 他們都假設藍綠色黏土與佛羅倫薩的那份樣本之間存在直接聯繫，因而，他們決定將搜索重點放在能找到藍綠色黏土的地方。但藍綠色黏土中都不含任何金屬或隕石硅酸鹽物質。團隊給出的建議是，繼續瞄準藍綠色黏土，同時擴大視野，將最近沉積在里斯特芬尼妥伊支流的其他類型的黏土也包括進來。 看起來一無所獲。8月5日，這裏已經進入冬天，他們差點兒沒能及時趕出來。但每個人都同意。那份樣本的確是一塊隕石碎片。可找到天然準晶的可能性極小，失敗的可能性高達99%。 20 取得突破 賓迪找了很久，發現5號顆粒中的原子排列具有不可能的五重對稱性，這種對稱性只有在準晶中才能被找到。是的，他們找到的是一種比地球本身更古老的物質，它們將帶來新的可能性。 21 奇蹟之人 指的是賓迪。因爲他在那些採集的礦物顆粒中，找出了不同的東西。 121號顆粒是一個其貌不揚的土塊和粘在周圍的物質，卻蘊藏着關於太陽系誕生的重要信息。隕石球粒含有複雜的礦物混合物，微小的白色物質碎片。這些碎片是銅鋁礦石。它是迄今爲止最直接的證據，表明該隕石中的鋁銅合金形成於45億年前的太空。 5個月後，麥克弗森負責起草了第一篇關於探險結果的科學論文《哈泰爾卡，俄羅斯東部科里亞克山脈新發現的CV3隕石》，於2013年8月2日發表在期刊《隕石學與行星科學》上，匯聚了探險隊每個成員以及沒去探險的人的貢獻，命名隕石爲哈泰爾卡。論文中附帶了大量圖像，內容非常詳細，包括對發現樣本的原始黏土層的描述，以及對每份樣本的礦物成分和氧同位素丰度的測量數據。 但反對者認爲，無論是在地球上還是在太空中，準晶和含金屬鋁的合金都不可能通過任何自然過程產生。 22 大自然的祕密 作者和團隊集結了新的科學家團隊來繼續推進研究。一路走來，雖然經歷過慘痛的失敗，但也在非常短的時間內獲得了非凡的進步和洞見：比如哈泰爾卡隕石經歷了迄今爲止在CV3碳質球粒隕石中檢測到的最強烈的撞擊之一；比如通過測量非典型的氦同位素和氖同位素的百分比，測量出隕石暴露於宇宙射線下的時間，列出了哈泰爾卡隕石太空之旅的時間表等。 更重要的一點，是證明了硅酸鹽和金屬在太空中能夠共存，並且經歷了相同的物理條件。礦石樣本中的準晶是在太空中生成的。 本書非常非常值得一讀，正如所有關於科學的故事，永遠都那麼驚心動魄，扣人心絃。

《第二種不可能》是一部結合科學探險與偵探故事的科普作品。作者保羅·斯坦哈特講述了自己歷時三十五年的科研旅程：他在上世紀八十年代發現了一條“完美”科學定律中的漏洞，進而提出一種理論上“不可能存在”的新物質形態——準晶。爲了驗證這一假設，他跨越 continents，深入堪察加半島等地進行實地考察，最終在自然界中找到了天然準晶，由此改寫了物質結構認知。書中借這段經歷說明：科學中的“不可能”往往只是尚未被發現的“金礦”，只要敢於質疑和探索，就可能迎來突破性發現。

一場精彩的科學探索之旅，本書講述了“準晶”這一曾經被傳統晶體理論認爲不可能存在的物質的前世今生。 從普林斯頓大學到勘察加半島，從“準晶”這一理論概念的提出到人工合成製造再到天然準晶的發現，歷經三十餘年，保羅·斯坦哈特及其團隊的這場發現之旅終於畫上了句點。它就像現代科學發展歷程的一幕縮影，是對於不可能的突破。而這場旅程所展現出的科學精神同樣值得被我們記住。 全書跌宕起伏，即便讀者對於物理學完全不瞭解，也可以把本書當作一部小說來讀。

固體物理裏的那道題引發的研究啊

這本書配得上羅列在本書正文前面的所有讚譽。講了一個非常符合波普爾關於科學的定義的科學發現的故事，就是通過“不斷證僞”，來接近真相或真理。多國科學家的合作，大家都沒有太多爭名奪利的私心（從他們團隊申請命名的三種不同的“合金”名字可知一二），既有奇蹟般的發現，又爲今後的研究打開了大門。有關無縫拼接的問題（胖菱形和瘦菱形），是純粹來源於數學；關於對稱的問題，在四維空間和“射影幾何”裏都有這個的應用；所以作者，他是個宇宙物理學家，提出現在的宇宙是兩個三維宇宙碰撞的結果這一假想，數學、物理、化學（準晶體）奇妙地結合在一起。能進行如本書中所寫的科研，是人類應該共同努力的目標。本書寫得一點兒都不枯燥，推薦讀這本書，培養一下科學觀。在傳統的“三觀”之外，應該增加“科學觀”的修養。

這是我讀的最快的一本科普書，讀的過程像看小說一樣有趣，我佩服作者作爲一個學者能把發現準晶的過程講的這麼生動有趣，而且沒有那種乏味的自誇/突出自己在這場研究中的重要性，全文出現了n個人物名，我真的會爲這種不邀功，不獨攬結果的做法而感動。全文讀起來沒有那些提高閱讀門檻的專業名詞，就算有，作者也解釋的很清楚了。不過衍射圖像的形成和平鋪自鎖結構確實是有點難懂，但是！！真的不影響這本書內容的有趣和好讀

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。

《第二種不可能》(The Second Kind of Impossible: The Extraordinary Quest for a New Form of Matter)講述了科學家們對準晶的探索過程，這種物質似乎違反了已知的物理規律，因此被稱爲“第二種不可能”。符合我們所謂從0到1從無到有的重大原始創新，這本書詳述了這個過程，爲我們撩開了從0到1這個神祕的面紗。我從這個角度讀這本書，因爲缺乏從0到1就意味著，一旦外部環境發生變化，中國就可能會陷入被動地位。 從這本書感悟到： 爲什麼中國人從0到1不行,從1到99人才輩出？ 這個故事可以很好地印證維克托爾創新雨林的七條法則。套入上述法則，相對他們而言，作者身處的是雨林環境，我們是農田。我們的彎道超車其實要有一定條件。讓我們以本書科學家們對準晶的探索過程印證七條法則： 第一，打破規則，追逐夢想： 在雨林中，科學家們必須接受並相信打破舊規則和偉大抱負是可以接受的。故事主人公很早就意識到，每當一個想法因爲被認爲“不可能”而被摒棄時，其實應該給予更多重視。大多數時候，科學家所說的“不可能”指的是一些真正不可能的事情，比如違反能量守恆定律或創造永動機。追求這些想法從來都沒有意義。正如本書所述具有二十面體對稱性的礦物在自然界中是不可能存在的，他們發現的奇怪的金屬鋁合金也是如此，因爲這在隕石中是前所未有的。但是，有時候，一個想法之所以被判斷爲“不可能”，是基於在某些從未被考慮過的情況下可能會違反的假設，我稱之爲“第二種不可能”。 如果一個人可以揭露潛在的假設並找到長期被忽視的漏洞，第二種不可能將會是一座潛在的“金礦”，是科學家獲得突破性發現的難得機會，也許是一生唯一的機會。 然而，在我們的農田中，環境要求循規蹈矩，即使有很少人願意冒險嘗試新的思路或方法，但研發經費更傾向於遵循傳統的做事方式，這限制了創新的空間和可能性。 第二，敞開大門，傾聽他人： 在雨林中，本書科學家們敢於與不同國家不同領域的專家合作，他們分享樣本、最高端的設備及我們稱得上的絕密數據庫，共同探索未知領域。他們願意敞開心扉，分享知識和經驗，包括多名大學三年級學生，這種開放和合作的態度使得雨林成爲了創新的溫牀。他們的團隊成員遍佈世界各地，包括佛羅倫薩、波士頓、莫斯科、華盛頓特區、休斯敦、西拉斐特、帕薩迪納、約翰內斯堡和普林斯頓。 然而，我們所有人，很少有人能夠真正與他人敞開心扉，深藏不露和城府深被視爲聰明和謹慎的表現。更加不可能如本書科學家一樣願意把反對者加入團隊，我們更傾向於保持警惕和戒備，而不願意與他人分享我們的想法和計劃。這種謹慎和警惕的態度限制了人們與他人的合作和交流，阻礙了創新的發展。不同國家的合作和交流因爲語言及國際政治環境存在着隔閡和猜忌。這種封閉和排他的氛圍限制了信息的流動和合作的展開，阻礙了創新的發展。 第三，誠信，並且相信他人： 對於來自佛羅倫薩的樣本中的鋁合金是否是礦渣時，主人公說他的首要原則是：你絕不能欺騙自己，而你又是最容易被自己欺騙的人。在雨林中，科學家們需要保持誠實和可信的態度，確保他們的研究結果是準確的，並且能夠通過同行評審的檢驗。他們明白，在科學研究中，誠實和透明是基本原則，任何數據都必須經過嚴格驗證，才能被科學界所接受。本書科學家正是致力於準確地報告他們的研究成果，把失敗的研究也寫成論文，不會隱瞞數據或篡改結果。本書通過他們30年的探尋、追索、求證之路，給我們展示，他們是怎麼謹言慎行，他們也知道，失信於人將會失去科學界的信任和聲譽，因此他們注重維護自己的誠信形象，以確保自己的研究成果得到認可。 然而，在農田中，市場化信用尚未完全建立起來，研發者們更趨於功利性，他們可能會選擇隱瞞真相或歪曲事實，以謀取個人利益或維護自己的地位。這種信任基礎的薄弱社會會導致人們之間缺乏誠信，容易出現欺騙和不誠實的行爲。這種不誠實的行爲不僅破壞了合作關係，也損害了整個社會的信任基礎，阻礙了創新的發展。 第四，尋求公平，而非利益最大化： 在雨林中，公平公正是合作的基礎之一。科學家們相互尊重，堅持公平交易，確保每個人都有機會分享資源和獲得認可。他們團隊很多人已經是某個領域的泰斗，但他們仍遵循着科學界的規範和道德準則，確保研究成果的公正評價和合理分配。這種公平公正的氛圍使得雨林成爲了創新的溫牀，吸引着各行各業的人才和資源。 然而，在農田中，公平公正往往難以做到。由於缺乏監管和規範，人們往往更注重個人利益和私人關係，而忽視了公平和正義的原則。即使“自己人”之間，導師就是老闆，研究生成爲了打工仔。如果與外人合作由於利益的驅動和私人關係的影響，更可能出現資源和機會的不均衡分配，導致一些人受到了不公平的對待，從而影響了創新的發展。這種不公平甚至極大體現在對基礎科學的不重視，研究學習基礎科學的學者沒有多少資源和機會。整個社會對基礎科學的忽視又何來從0到1呢？ 第五，與他人共同嘗試，並不斷重複： 在雨林中，科學家們明白創新是一個試錯、失敗、糾錯、進步的過程。本書團隊中每個人都認識到去俄羅斯遠東地區採集樣本希望渺茫，連贊助人也認識到這點，但他們共同接受這個不可能。他們知道接受失敗是成功的一部分，並願意從中學習和改進。書中他們共同不斷嘗試各種可能，勇於面對挑戰和困難，從而推動項目前進。在這種開放的氛圍下，迎來了一個又一個的突破。 然而，在農田中，人們往往不允許錯誤的發生，只追求成功而不容許失敗。這種不容錯的氛圍使得人們不願意嘗試新的方法或理念，害怕失敗而選擇保守。因此，創新的空間和可能性受到了限制，科學研究往往停滯不前，無法取得突破性的進展。 第六，犯錯、失敗，堅持： 在雨林中，科學家們明白錯誤和失敗並不是可怕的，而是創新過程中不可或缺的一部分。他們接受失敗，並從中學習，不斷調整和改進自己的方法和理念。他們知道，成功往往需要經歷多次嘗試和調整，而不是一蹴而就。因此，他們堅持不懈地迭代，不斷優化自己的研究方向和方法，直到取得成功爲止。書中主人公自述，他們“無所不用其極”。自在一個被遺忘已久的博物館樣本中發現第一份天然準晶樣本以來，這句話一直是他的口頭他。 然而，在農田中，人們往往將錯誤和失敗視爲不可接受的，一旦犯錯就容易氣餒放棄。他們害怕失敗給自己帶來的負面影響，因此選擇安全和穩妥的做法，避免冒險嘗試新的方法或理念。這種消極的態度使得創新的空間受到了限制，科學研究難以取得突破性的進展。 第七，幫助別人，且不求回報： 本書給我們展示到在雨林中，科學家們相互之間願意主動幫助別人，因爲他們理解到合作和互助是推動科學進步的重要因素。他們相信，通過互相支持和合作，可以共同攻克科學難題，取得更大的成就。因此，他們樂於分享知識和資源，幫助他人解決問題，共同促進科學的發展。 然而，在農田中，人們往往更注重個人利益和私人關係，而忽視了幫助他人的重要性。他們可能會選擇自私自利，只關心自己的利益，而不願意主動幫助他人。這種自私自利的態度會破壞合作關係，導致人際關係緊張，阻礙了創新的發展。 最後的事實是，本書給我們展示了全世界數以百計的科學家運用他們的理論和實驗建立起了一個新的物理學分支，準晶。他們不僅找到了天然準晶，還造出了人造準晶，並開始應用於實際。