Невозможность второго рода. Невероятные поиски новой формы вещества - Пол Стейнхардт

Дэна к его замечательному открытию. Однако я не был удовлетворен нашей научной дискуссией. Дэн специализировался на электронной микроскопии и дифракции и не проявлял большого интереса к теории. Вскоре мне стало ясно, что он по-прежнему увлечен идеей, которую Илан Блех первоначально предложил для объяснения сплава Al6Mn. Она сводилась к тому, что вещество состоит из икосаэдрических кластеров, которые по какой-то неясной причине ориентированы одинаковым образом, несмотря на случайное расположение в пространстве. Похоже, Дэн почему-то считал идею Блеха эквивалентной нашей квазикристаллической теории.

Я пытался объяснить ему ключевые различия: модель Блеха неполна, поскольку между кластерами в ней есть большие зазоры, которых она не учитывает; по этой причине она не представляет собой новой фазы вещества, а также не дает дифракционной картины, состоящей из четких точек, выровненных вдоль прямых линий.

Однако было очевидно, что мои доводы не произвели на Дэна впечатления. Видимо, он считал, что модель Шехтмана – Блеха, состоящую из случайно разбросанных икосаэдрических кластеров, проще представить, и не склонен был рассматривать важные различия, на которые я указывал. Я сильно переживал, что не сумел убедить его изменить свое мнение. В результате он еще много лет продолжал использовать в своих презентациях модель Шехтмана – Блеха вместо квазикристаллической.

Шехтман был не единственным, кто сопротивлялся квазикристаллической концепции. В следующие несколько месяцев начали появляться и другие правдоподобные альтернативные объяснения странного алюмомарганцевого сплава. И что еще тревожнее, стали намечаться серьезные проблемы с самой идеей квазикристаллов.

Альтернативные теории. Концептуальные проблемы. К огромному моему разочарованию, все это вскоре привело к укреплению в научном сообществе консенсуса относительно того, что квазикристаллы, как все мне твердили с самого начала, невозможны.

Глава 6

Идеальная невозможность

Филадельфия, 1987 год

Прошло более двух лет с момента публикации нашей с Довом статьи, вводящей концепцию квазикристаллов. За это время отношение к ней в научном сообществе уже успело несколько раз поменяться.

В течение первого года после публикации нашей статьи квазикристаллическая теория воспринималась как единственное жизнеспособное научное объяснение новооткрытого сплава с икосаэдрической симметрией. Создавалось впечатление, что эта идея охватила научный мир как ураган и спровоцировала целую серию интересных открытий.

Исследователи комбинировали алюминий с другими элементами, не только с марганцем, который использовался в первоначальном эксперименте, и открывали все больше квазикристаллических сплавов с симметрией икосаэдра. Попутно был обнаружен материал с симметрией восьмого порядка, потом – десятого, а затем и двенадцатого. Тем самым было твердо установлено существование материалов с различными симметриями, которые прежде считались запрещенными.

Я восхищался достижениями других ученых. И пока что все они вписывались в представленную нами квазикристаллическую теорию. Но счастье оказалось недолгим. Маятник начал обратный ход – и стали появляться конкурирующие объяснения, а также серьезная критика.

Первым и самым громогласным критиком нашей теории стал дважды лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг. Для научного сообщества Полинг был величественной фигурой. Как одного из основателей квантовой химии и молекулярной биологии его считали одним из самых значительных химиков XX века.

“Нет такой вещи, как квазикристаллы, – любил издевательски пошутить Полинг. – Есть только квазиученые”.

Полинг предположил, что все открытые аномальные сплавы представляют собой сложные примеры кристаллов с множественным двойникованием, – то есть примерно то же, что первоначально предположили ведущие ученые Национального бюро стандартов. Однако Полинг имел в виду совсем другую и очень конкретную организацию атомов, которая, по его словам, может объяснить дифракционную картину.

Если Полинг был прав, то в новых материалах не было ровным счетом ничего заслуживающего внимания. Вся наша работа канула бы в забвение как любопытный эпизод из истории науки. Для работающих в сфере материаловедения и химии, подобно Дэну Шехтману и его коллегам, возражения Полинга были пугающими и воспринимались как серьезная угроза. На протяжении всей своей карьеры Полинг ставил под вопрос общепринятые суждения и добивался успеха. Это был не тот человек, которого хотелось иметь в качестве интеллектуального соперника.

Я, однако, не разделял этих опасений по одной простой причине. Альтернативная идея Полинга никогда не казалась мне правдоподобной. Хотя бы потому, что модель Полинга с множественным двойникованием для икосаэдрического сплава Al6Mn была намного сложнее нашего квазикристаллического объяснения. А когда дело касается науки, лучшим обычно оказывается простейшее объяснение.

Мы с Джошем Соколаром установили, что квазикристаллическая картина требует четырех разных строительных блоков (показанных внизу на иллюстрации со страницы 113, а также на обложке), каждый из которых состоит из десятков атомов, и эти блоки должны быть организованы в квазипериодическую последовательность. Полинг считал, что материал, напротив, состоит из множества сросшихся друг с другом кристаллов, ориентированных под разными углами, – то была вариация идеи множественного двойникования, которую Джон Кан первоначально обсуждал с Дэном Шехтманом. Согласно теории Полинга, повторяющиеся строительные блоки в каждом кристалле содержат более чем по восемьсот атомов каждый. Сказать, что это было намного сложнее нашей теории, – это ничего не сказать.

В действительности, когда Полинг выступил со своими идеями, я был куда больше озабочен другой конкурирующей идеей, которая стала завоевывать известность примерно в то же время. Речь идет о модели икосаэдрического стекла – теории, разработанной Питером Стефенсом из Университета Стоуни-Брук и Аланом Голдманом из Брукхейвенской национальной лаборатории. Это была значительно усовершенствованная версия модели Шехтмана – Блеха.

Новая модель икосаэдрического стекла предполагала атомную структуру, состоящую из кластеров икосаэдрической формы, беспорядочно разбросанных в пространстве. Эта особенность объясняла слово “стекло” в названии теории, поскольку термин “стекло” относится к материалам со случайным расположением атомов. В этой модели вершины всех кластеров икосаэдрической формы были выровнены так, чтобы указывать на одни и те же направления в пространстве. Это похоже на модель Шехтмана – Блеха с одним важным усовершенствованием. Стефенс и Голдман добавили объяснение, как соединять кластеры друг с другом таким способом, чтобы между ними оставалось намного меньше зазоров и щелей.

Эти две модели – икосаэдрическое стекло и нашу квазикристаллическую теорию – принципиально можно было различить по четкости и выравниванию пятен, предсказываемых на дифракционной картине. Идеальный квазикристалл дает рисунок из компактных точек, расположенных вдоль пересекающихся прямых линий. Для икосаэдрического стекла предсказывался очень похожий дифракционный узор, только вот пятна были размытыми и не идеально выровненными.

К сожалению, исходные данные были неоднозначными из-за особенностей исследуемого материала. Если не вдаваться в детали, то оригинальный алюмомарганцевый образец Шехтмана был не очень высокого качества. В нем изначально не все было безупречно. Группы, которые пытались независимо воспроизвести этот образец, сталкивались с теми же трудностями.

Проблема с четкостью и расположением дифракционных пятен, наблюдавшаяся для оригинального образца, не была сразу очевидна из опубликованных фотографий. Такие снимки обычно оказываются переэкспонированными, что скрывает недостатки. Однако этот момент стал совершенно явным на более точных рентгеновских дифракционных картинах, полученных позднее Полом Хейни и Питером Бэнселом в пенсильванской лаборатории