Невозможность второго рода. Невероятные поиски новой формы вещества

Наша “новая инфляционная теория” была быстро признана. Она произвела взрывной эффект, с которого начался период плодотворных инноваций в космологии, астрофизике и физике элементарных частиц, продолжающийся по сей день. В отличие от моей работы с Довом над проблемой новых форм вещества, новую инфляционную космологию исследовало множество людей, и многие из них были жесткими конкурентами. Также было много важных последующих проектов, которые просто нельзя было игнорировать.

В тот же период времени я, однако, потихоньку проверял реакцию научного сообщества на нашу новую квазикристаллическую теорию. Я начал неформально обсуждать ее с известными специалистами, занимавшимися физикой конденсированного состояния, но, к моему удивлению, реакция всегда была одинаково обескураживающей: “Ваша с Довом творческая концепция новой формы вещества математически возможна, но в сравнении с простыми принципами периодических кристаллов она выглядит слишком сложной, чтобы реализоваться в физическом мире”.

Такое отношение вполне можно понять. В конце концов, мы с Довом ставили под сомнение вековую научную мудрость, выдвигая идею о новом состоянии вещества на основании изучения одних только абстрактных замощений. Нам требовалось экспериментальное доказательство существования таких комбинаций атомов, которые сами организуются в истинные квазикристаллы. Без этого наша идея оставалась лишь очередной оторванной от реальности теоретической фантазией.

Дов, будучи менее чувствительным к критике, чем я, хотел немедленно опубликовать нашу основную концепцию. Мне же хотелось подождать, пока наши идеи не обрастут конкретикой. Я также хотел получить возможность делать проверяемые прогнозы по обнаружению новой формы вещества в экспериментах – это необходимая составляющая любой научной теории. Я полагал, что без этого наша работа, вероятно, будет отвергнута. Так что и публиковать ее пока не имело смысла.

В 1983 году мы с Довом достигли компромисса. Мы договорились защитить наш интеллектуальный вклад за счет патентного раскрытия идеи и подали соответствующую заявку при поддержке бюро технологического лицензирования Пенсильванского университета. Заявка должна была представить нашу концепцию и формально закрепить наш приоритет. Однако раскрывать наши идеи широкому научному сообществу мы не собирались, пока не достигнем большего прогресса.

Заявка, частично воспроизведенная справа, описывала наши строительные блоки, ромбоэдры, и обеспечивающие их совмещение замки. В ней говорилось, что соединения устроены так, чтобы строительные блоки были вынуждены образовывать некристаллическую структуру с симметрией икосаэдра. Также в ней объяснялось, каким образом эта идея может потенциально привести к новому фазовому состоянию вещества со свойствами, отличными как от жидкостей, так и от кристаллов. В заявке 1983 года мы с Довом называли наше теоретическое изобретение “кристаллоидами”, но позднее поменяли термин на “квазикристаллы”.

Было ли все это лишь абстрактными построениями, как утверждали критики, или это действительно была корректная научная теория, которую можно как-то проверить? И как нам распознать квазикристалл, если посчастливится его найти? Мы с Довом потратили месяцы на утомительные расчеты и в итоге обнаружили, что ответ довольно прост. Обычный рисунок рентгеновской или электронной дифракции должен был показать квазипериодичность и запрещенную симметрию в расположении атомов.

По сравнению с кристаллом, дифракционная картина у квазикристалла гораздо богаче. Она сложнее по структуре, в частности потому, что формируется атомами, повторяющимися с разными частотами, соотношение которых выражается иррациональным числом вроде золотого сечения.

Если бы электроны или рентгеновские лучи могли магическим образом испытывать дифракцию только на одном типе атомов в квазикристалле, они порождали бы на дифракционной картине разделенные равными интервалами четкие точки, известные как брэгговские пики. Однако в реальности рентгеновские лучи и электроны дифрагируют на всех атомах квазикристалла. Различные подгруппы дают разные точки на дифракционной картине, соответственно различным расстояниям между атомами. А икосаэдр еще и обладает множеством симметрий, что также добавляет сложности.

Предсказанные нами дифракционные картины имели разный вид в зависимости от того, как был направлен электронный или рентгеновский пучок – вдоль оси вращательной симметрии пятого, третьего или второго порядка. Иллюстрация справа демонстрирует рассчитанную нами дифракционную картину для луча, идущего вдоль оси “невозможной” симметрии пятого порядка.

Мы вывели математическую формулу, стоящую за секретной симметрией, и смогли сделать смелое предсказание, проверяемое экспериментально: дифракционная картина для квазикристалла должна состоять из четких точек, образующих узор, подобный снежинке.