摘要：想象一下，你正蹲在地上玩积木，试图用正五边形的瓷砖铺满整个地板。无论你怎么调整角度，瓷砖之间总是留下缝隙——这就是经典晶体学中“五次对称性不可能存在”的直观体现。然而，2011年诺贝尔化学奖得主丹·谢赫特曼（Dan Shechtman）却用电子显微镜拍下了一张

想象一下，你正蹲在地上玩积木，试图用正五边形的瓷砖铺满整个地板。无论你怎么调整角度，瓷砖之间总是留下缝隙——这就是经典晶体学中“五次对称性不可能存在”的直观体现。然而，2011年诺贝尔化学奖得主丹·谢赫特曼（Dan Shechtman）却用电子显微镜拍下了一张震撼世界的照片：铝锰合金中那些排列成五角星图案的原子，像一串永不重复的密码，彻底颠覆了人类对物质结构的认知。更令人细思极恐的是，科学家们最近发现，这些被称为准晶体的物质，可能是四维空间在我们三维世界中的“投影”……

时间回到1982年4月8日，谢赫特曼在美国国家标准技术研究所实验室里盯着电子显微镜屏幕时，双手不自觉地颤抖起来。他看到的衍射图案上，十个亮点均匀分布成完美的五边形——这相当于在三维世界里看到了“永动机”般的存在。因为根据1783年法国矿物学家阿羽依建立的晶体学法则，任何晶体只能具有2、3、4、6次旋转对称性，就像我们常见的雪花（六重对称）或食盐立方体（四重对称）。而五重对称性在数学上已被严格证明无法通过周期性排列填满空间，就像用正五边形瓷砖铺地永远会有空隙。

当时的实验室主任看到他的数据后，冷笑着递给他一本《基础晶体学》教科书。但谢赫特曼没有退缩，他花了两年时间寻找理论支持，最终与数学家约翰·卡恩合作提出了“准周期晶体”概念：这些原子虽然不按传统周期排列，却遵循着更复杂的数学规律——比如斐波那契数列中的黄金分割比例。这个发现如同在物理学界引爆了一颗思想炸弹，因为准晶体不仅存在于实验室，2009年科学家还在西伯利亚的陨石中发现了天然准晶体，证明这种“禁忌结构”竟是宇宙演化的自然产物。

2025年以色列理工学院团队在《科学》杂志发表的论文中，揭示了更惊人的真相：当用近场扫描光学显微镜（NSOM）观察准晶体表面时，电磁波传播呈现出了三维世界无法解释的特性。例如在二维投影中呈现完全不同波纹模式的两个区域，经拓扑分析发现它们竟源自同一个四维结构，就像三维立方体在不同角度的灯光下会投射出正方形、长方形或六边形阴影。

这种关联在数学上早有预示。1984年，数学家罗杰·彭罗斯提出的“彭罗斯瓷砖”就用二维图形模拟了五重对称性，而其本质是将五维超立方体投影到二维平面。同理，准晶体可能是四维空间中某种完美对称结构（比如120胞形——四维的正十二面体）在三维的切片。就像生活在平面国的二维生物看到圆形时，无法想象那其实是三维球体的截面。

中国科学家在此领域也贡献卓著。早在上世纪80年代，中科院科学团队就发现钛镍合金中的二十面体原子团簇结构，这种由20个正三角形构成的几何体完美对应了四维空间中的对称操作。2024年北京大学科学团队更是在《自然·通讯》发文，首次用原子探针层析技术重构出五重对称纳米孪晶的三维原子模型，为四维投影理论提供了实验支持。

这项发现正在改写多个学科的基础理论。在凝聚态物理领域，传统能带理论因无法解释准晶体的电子结构而被修正；更深远的影响在于哲学层面——它暗示我们感知的三维世界可能是更高维空间的“全息投影”。就像17世纪伽利略用望远镜发现木星卫星打破了“地心说”，准晶体的存在迫使人类重新思考空间的本质。而最新研究表明，某些量子纠缠现象可能通过四维时空中的虫洞实现，这与准晶体的四维投影理论形成了微妙呼应。

来源：漫步科学