“準晶”概念的提出者理論物理學家Paul J. Steinhardt，回憶了自己最初提出準晶概念時在加州理工學院的報告，費曼帶著他習慣性的批評登場，正如他多年前一樣。Steinhardt在故事中也回憶了曾經(jīng)跟隨費曼學習的經(jīng)歷。如果你在費曼面前講完一件事，從他嘴中蹦出的是“不可能”、“荒謬”、“愚蠢”等詞語，這意味著什么？至少，別被嚇到！

撰文| Paul J. Steinhardt（普林斯頓大學物理學教授）

翻譯 | 任愚

不可能！

這話響徹了整個大報告廳。而我剛講完一個關于一種新型物態(tài)的革命性概念，這是由我和我的研究生Dov Levine共同發(fā)明的。

加州理工學院的這間報告廳里坐滿了來自各個院系的科學家。討論本來進行得相當順利，但就在最后的人群魚貫而出的時候，響起了一個熟悉的、高調(diào)的聲音：“不可能！”

我閉著眼也能認出這個另類的、低沉沙啞的、帶著明顯紐約腔的聲音。站在我面前的是我的科學偶像，傳奇的物理學家理查德·費曼（Richard Feynman），他頂著灰白到肩的頭發(fā)，穿著他一貫的白色襯衫，臉上帶著讓人放松戒備的、狡黠的笑容。

愛開玩笑的人——理查德·費曼：盡管理查德·費曼有著詼諧打趣的幽默勁兒，但他也極度直率。Paul J. Steinhardt記得有一天自己做報告，結果看到費曼坐在前排，他突然就有點怵。

此時費曼已經(jīng)因其發(fā)展了電磁現(xiàn)象的首個量子理論的開創(chuàng)性工作而獲得了諾貝爾獎。在科學群體當中，他已經(jīng)被視為二十世紀最偉大的理論物理學家之一。而且，由于他在確認挑戰(zhàn)者號航天飛機事故原因中發(fā)揮的關鍵作用，以及他的兩本暢銷書——《別逗了，費曼先生》（Surely You’re Joking!）和《你不必在乎別人怎么想》（What Do You Care What Other People Think?），他最終在大眾心目中贏得了偶像地位。

他有一種特別頑皮的幽默感，還因其精心設計的惡作劇而“臭名遠揚”。但當涉及科學的時候，費曼一直是毫不遷就地實在并總是嚴酷地評判，這使他成為科學研討會上特別唬人的存在。誰都可以料到，一旦他聽到什么在他看來是不明確或者錯誤的東西時，他就會直接打斷并公然向演講人發(fā)難。

所以，當費曼在我演講開始之前進入報告廳并坐在他習慣的前排位子上時，我就敏銳地意識到了他的存在。在演講整個過程中，我一直用眼角余光小心翼翼地瞥他，時刻等待著任何可能的爆發(fā)。但是費曼一直沒有打斷我，也沒有提出質(zhì)疑。

“物理X”

演講結束后費曼上前與我對質(zhì)這個事兒，恐怕會嚇到許多科學家。但這不是我們第一次見。差不多十年前，我還是加州理工的本科生的時候就十分有幸跟費曼一起親密工作，我對他只有仰慕和愛戴。費曼通過他的文章、演講和躬身指導改變了我的一生。

在1970年當我作為新生第一次進入校園的時候，我打算學習生物或數(shù)學。中學時我從未對物理產(chǎn)生什么興趣。但我知道每個加州理工的本科生都要求修兩年的物理課程。

我很快發(fā)現(xiàn)，很大程度上拜那個教科書，也就是《費曼物理學講義（卷一）》所賜，新生物理難得邪門兒。這本書不像是傳統(tǒng)教科書，而是基于費曼在1960年代做的一系列有名的針對大一新生的物理學報告而整合起來的精彩文章。

不像我曾經(jīng)接觸過的任何其他物理課本，《費曼物理學講義》從不拘泥于闡釋如何解題，這使得盡力完成繁難的課后作業(yè)既費時又費力。不過，那些文章提供了更有價值的東西——費曼本人思考科學的方式的深刻洞察。一代代人從費曼講義中獲益。對我而言，那段經(jīng)歷完全是一種啟蒙。

幾周過后，我感覺我被洗腦了一樣。我開始像物理學家一樣思考，并且熱衷于此。就像我這代人里的許多科學家一樣，我很自豪地將費曼視為我的英雄。我打消了我原本學習生物和數(shù)學的計劃，而決定加倍努力地專攻物理。

我還記得在我大一階段，有幾次我鼓足勇氣在報告會前向費曼打了招呼。在當時要再有其他舉動是完全不可想象的。但是到了我大三的時候，我室友和我不知怎的就鼓起勇氣去敲他辦公室門，詢問他能否考慮教一門非正式課程，每周一次和像我們這樣的本科生見面，并回答我們可能提出的任何問題。我們跟他說整個課程都是非正式的，沒有作業(yè)，沒有測驗，沒有打分，也沒有課程績點。我們知道他是對行政事務毫無耐性的離經(jīng)叛道之人，也希望這種隨性能吸引到他。

十年前或更早些，費曼開過類似課程，但只是針對大一新生并且每年只開一個季度?，F(xiàn)在我們請求他做一整年同樣的事情，而且對所有的本科生都開放，特別是像我們這樣的可能追問更多深入問題的三年級和四年級學生。我們建議這門新課程名為“物理X”，就像他之前的課程一樣，讓所有人都清楚它是完全脫離書本的。

費曼想了片刻，出乎我們意料，他回答：“Yes!”。所以后面兩年里，我和室友連同其他一些幸運的學生一道，每周和費曼一起度過一個美妙而難忘的下午。

物理X一直這樣開場：他進入報告廳，詢問誰有問題。偶爾，有人想問一個費曼剛好是專家的話題。自然而然地，他對于這些問題的回答是駕輕就熟的。然而在其他時候，很明顯費曼之前從未想過這些問題。我一直覺得這些時候特別有意思，因為我有機會目睹他頭回面對一個問題的時候是如何思考和解決的。

我清楚記得問過一些我覺得有趣的問題，即使也擔心在他看來這些東西是很無聊的。我想知道：“影子是什么顏色？”

在報告廳前頭來回走了一會兒后，費曼開始興致勃勃地對這個問題進行抽絲剝繭。他發(fā)起了一場討論，關于影子中的微妙層次變化，關于光的屬性，關于顏色的感知，關于月球上的影子，關于月球上的地球反照光，關于月球的形成，等等。我聽入了迷。

在我大四的時候，迪克同意作為我的研究課題的導師?，F(xiàn)在我能更近距離地目睹他處理問題的方法了。我也體驗了沒有達到他的期待時他的尖刻口吻。他常用諸如“瘋了（crazy）”、“笨（nuts）”、“荒謬（ridiculous）”、“愚蠢（stupid）”這樣的詞語來批評我的失誤。

這些刺耳的話一開始很扎心，使我一度懷疑自己是否適合學習理論物理。但我發(fā)現(xiàn)迪克并不像我一樣把這些嚴厲的批評看得那么重。往往緊接著，他就會鼓勵我嘗試不同的方法，并邀請我在取得進展的時候再來。

費曼教給我的最重要的一件事是，一些最激動人心的科學意外可以從日?，F(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)。所有你要做的就是花時間仔細觀察事物，并問自己好的問題。他還影響了我的信念，就是沒有必要像許多科學家那樣，迫于外部壓力而局限在科學的某一領域。費曼的言傳身教告訴我，但凡有好奇心指引，那么摸索各個不同領域也都是可以的。

軌跡

我在加州理工的最后一學期，我們的一次交流是特別值得回憶的。我在解釋一個我提出的數(shù)學方法——可用來預測超級球（Super Ball）運動行為。這是一種彈性超強的橡膠球，當年風靡一時。

這是一個很有挑戰(zhàn)性的問題，因為超級球每次反彈都會改變方向。我想要預測超級球在一系列放置成不同角度的平面上的彈跳行為，這又增加了一層難度。例如，我計算了它從地面彈到桌子底下，再到一個傾斜平面，然后到墻上的軌跡。這些看似隨機的運動根據(jù)物理定律是完全可以預測的。

我給費曼看了我的一個計算。它預測我扔出超級球后，經(jīng)過一系列復雜的彈跳，它會正好回到我的手中。我遞給他論文，他掃了一眼我的公式。

“這不可能！”他說。

不可能？我被這個詞嚇了一跳。這是從他嘴里蹦出的新詞兒。不再是“瘋了”或者“愚蠢”這些我有時已有預期的評價。

“為什么你覺得它不可能？”我緊張地問。

費曼指出了他的考慮。根據(jù)我的公式，如果有人從某一高度釋放超級球且讓其帶轉兒的話，這球是會回彈，并且是以一個與地面很小的角度彈向一邊。

“這很明顯不可能，保羅”，他說。

我瞧著我的方程，發(fā)現(xiàn)我的預測確實表明這球會回彈，并取一個很小的角度。但是我不那么肯定這是不可能的，盡管它看起來是反直覺的。

我現(xiàn)在已經(jīng)身經(jīng)百戰(zhàn)，敢于反駁了。“好吧，”我說，“我之前從來沒有試過這個實驗，就讓我們就在你的辦公室試一把吧?！?/p>

我從口袋里掏出一個超級球，費曼盯著我給它一個轉兒并丟出手。十分確定，這個球精確地以我的方程預測的方向彈射出去了，以一個與地面非常小的角度彈到一邊，這正是費曼覺得不可能的方式。

一念之間，他知道了自己的錯誤。他沒有考慮到超級球表面非常高的粘性，而這會改變旋轉對球軌跡的影響。

“好蠢！”費曼大聲說，用他有時拿來批評我的一模一樣的語氣。

經(jīng)過兩年的合作，我終于確切知道我一直懷疑的了：“愚蠢”只是費曼的一種表達，用于任何人也包括他自己，是作為盯住一個失誤從而不會再犯的一種方式。

我也意識到，當費曼用“不可能”的時候，不必然意味著“不可實現(xiàn)（unachievable）”或者“荒謬（ridiculous）”。有時候它意味著，“哇！這有一些神奇的東西，與我們通常認為是正確的東西相矛盾啊。這值得去搞搞清楚！”

準晶

所以11年后，當報告之后費曼以一種詭笑走近我，并開玩笑地聲稱我的理論“不可能”的時候，我十分清楚我知道他指的是什么。我報告的主題，一種被稱為“準晶（quasicrystals）”的全新的物質(zhì)形態(tài)，與他認為是正確的原理相沖突。所以它是有趣的，也值得搞搞清楚。

我在桌上設置了一個實驗來驗證該想法，費曼走上前來，他指著它們并要求，“再給我演示一遍！”

我撥動開關開始演示，費曼一動不動站著。他親眼目睹，見證了科學上一個最廣為人知的原理被明確地違背了。這一原理是如此基本，他在費曼講義中也講述了它。事實上，這些原理近200年來一直被傳授給每一個年輕的科學家。

但是現(xiàn)在，我在這兒，站在理查德·費曼前頭，解釋這些長期存在的準則是錯誤的。

晶體不是唯一可能的具有有序原子排布和點狀衍射圖案的物質(zhì)形態(tài)?，F(xiàn)在存在一個大量可能性的新世界，它們有著其自身的準則，我們稱之為準晶。

我們選擇這一名稱是為了擺明這些新材料與通常的晶體有何不同。兩類材料都包含一組在整個結構中重復的原子。

在晶體中的一組原子以規(guī)則的間隔重復，就像五種已知的圖案一樣。然而，在準晶中，不同原子組以不同的間隔重復。我們的靈感來自一種被稱為彭羅斯拼圖（Penrose tiling）的二維圖案.這類圖案非同尋常，它們包含了兩種不同類型的拼塊，并且以兩種不可公度的間隔重復而形成。數(shù)學家稱這樣的圖案為準周期的（quasiperdiodic）。因此，我們把我們的理論發(fā)現(xiàn)命名為“準周期晶體（quasiperiodic crystals）”，或者簡稱為“準晶（quasicrystals）”。

我為費曼做的那個小演示可以證明我的觀點，僅用一束激光和一張準周期圖案的照相投影片。我按費曼的指令打開激光，將光束對準，這樣它通過投影片投到遠處墻上。激光產(chǎn)生了如x射線穿過原子間的通道一樣的效果：它產(chǎn)生了一個衍射圖案，就像下面照片中展示的那樣。

我關上頂燈，這樣費曼可以更清楚地看到墻上那些雪花樣的點狀圖案。它不像任何其他費曼曾見過的衍射圖案。

正如我在報告當中做的那樣，我向他指出，最亮的點形成了同心的十元環(huán)。這聞所未聞。我們也可以看到一些斑點形成了五邊形，這揭示了一種被認為是在自然界中被絕對禁止的對稱性。更仔細的觀察揭示了斑點間的更多亮斑，以及越來越多的亮斑。

費曼要求更仔細地看那個投影片。我打開燈，把它從托板上取下遞給他。投影片上的圖像縮得如此之小以至于很難看清細節(jié)，所以我也遞給他一張拼圖的放大版，他可以把它放在桌子上在激光前頭看。

接著的一段時間在靜默中過去。我開始感覺自己又像是一個學生了，等待著費曼對我想到的最新荒誕想法作出反應。他盯著桌子上的放大版，將投影片重新塞進托板，自己打開激光。他看來看去，一會兒盯著桌子上的放大印版，一會兒抬頭瞧瞧墻上的激光圖案，重又低頭看放大版。

“不可能！”費曼最后說。我點頭同意并笑了，因為我知道這是他的一種最高贊許。

他回望向墻壁，搖著他的腦袋?！敖^對不可能！這是我見過的最驚奇的一件事兒?！?/p>

然后，不再說什么，費曼興奮地盯著我，臉上堆著狡黠的笑。

作者簡介

Paul J. Steinhardt是普林斯頓大學阿爾伯特·愛因斯坦科學教授、普林斯頓理論科學中心主任，研究方向涵蓋粒子物理學、天體物理、宇宙學、凝聚態(tài)物理學等多個領域。Steinhardt是著名的宇宙暴脹模型提出者之一，后來合作提出了“循環(huán)宇宙模型”。1983年他與學生Dov Levine提出了準晶理論，隨后闡明了這項新物質(zhì)結構的諸多數(shù)學和物理性質(zhì)。2009年他帶領團隊發(fā)現(xiàn)了第一個天然準晶。

本文譯自What Impossible Meant to Richard Feynman, Nautilus, 2021.11.24,，原文選自Paul J. Steinhardt著The Second Kind of Impossible: The Extraordinary Quest for a New Form of Matter一書。原文鏈接：https://nautil.us/issue/108/change/what-impossible-meant-to-richard-feynman