第4章：分形晶体

姜宇航也不知道自己是怎么拐进这个游乐场的。中午和一家合作厂商的代表吃了饭，席间他们的领导说，必须要共享更多的技术细节，要不然双方很难合作，而且有可能会带来很多后续的麻烦。姜宇航觉得他们在威胁自己，威胁宏硕集团，毕竟他们有国资背景。然后就不断灌酒，全都喝的醉醺醺的。完了姜宇航没和他们一起回去，他想自己随便走走，醒醒酒，不知不觉就走到这个游乐场里来了。

        几年前，姜宇航被王伟拉进宏硕集团，担任宏硕研究所东海研究院的院长。这是一个因为触发石而新成立的研究院，名字来源于传说中的东海龙宫，那里也有一根神奇的铁棍。一开始，他多少有点诧异，觉得是老同学抬举自己。他不过是一个普通的大学副教授，学术成就也不突出，何德何能担此重任。但他很快就知道，王伟也是迫不得已。他们要研究的东西太过奇特，太过宝贵，以至于王伟根本就不敢将其托付给陌生的外人。一开始，王伟甚至不知道该怎么处理这块古怪的石头，他想过把他交给国家的研究机构，但思来想去，还是决定留下来。他从中嗅到了巨大的商机，一个比他现在的房地产事业大数百倍的商机。但在搞清楚这块石头的根底之前，这一切都还只是虚无缥缈的幻影。他需要一个真正信任的人来帮他拂去笼罩着的层层迷雾。

        姜宇航永远记得那个下午，当王伟把那块石头和一根铁棍贴在一起时，那铁棍在颤动中缓慢膨胀起来的怪异场景。膨胀过程伴随着嗡嗡的鸣响，从铁棍内部传出。一旦把石头和铁棍分开，膨胀立刻就停止了。姜宇航试着摸了摸铁棍表面，温度明显升高了。联想到刚才听到的嗡鸣声，他立刻意识到，这是内部原子的振动造成的。可是，为什么会发生振动呢？他拿起铁棍，感觉其重量和之前并无区别，这意味着物质的总量似乎并没有发生变化，这让他稍微松了口气。如果这棍子的质量也随着膨胀增加了的话，他可就真没辙了，因为一旦质量守恒被打破，那意味着整个人类的科学体系几乎都要重写。而现在看来，膨胀似乎只对应着体积的增大，这就好办多了，至少他能勉强想出几个可能的机制了。

        王伟说，这石头厉害吧，他说厉害，太厉害了。王伟说，这东西是怎么回事，你看明白了吗？他摇了摇头，说让固体体积增大的机制有很多，比如热膨胀效应、电致伸缩效应，还有压电效应的逆效应等等，但没有一个跟眼前的现象能对应得上的。王伟说，不急，我们慢慢研究。姜宇航说，好，我明天就去学校辞职。想了想又说，我手下有几个研究生，资质还不错。王伟说，如果你觉得好用，可以一起带过来，不过都要签保密协议。姜宇航说，那行。王伟问，你需要些什么仪器，通通报给我，我尽快买齐。姜宇航说，我待会儿列个单子，晚点发给你。王伟说，经费方面不要有顾虑，该买就买，我们不差钱。姜宇航说，这个我知道。王伟又补充道，也不用走流程竞价。说完两人都哈哈大笑起来。

        虽然已经有心理准备，但这石头带来的现象之诡异，仍然超出了姜宇航的预期。在高端仪器没有到位之前，他做了一系列的初级实验。首先，让不同种类的材料与石头接触，观察其引发的体积膨胀效应。从铁、铜、铅、铝等金属及其合金，到不同的氧化物陶瓷，到玻璃等非晶体材料，再到塑料、橡胶等高分子聚合物，最后连液晶、胶体和生物体等软凝聚态物质都试过了。然而，让人失望的是，大多数材料的膨胀效应小得可怜，用肉眼几乎观测不出来。姜宇航不得不把目光重新转回到最初的铁棍上。奇怪的是，同样是铁棍，一般的样本根本就达不到最初那根的膨胀系数。他问王伟，最初那根铁棍是怎么来的，王伟说其实我是在一次偶然的状况下，观察到石头触发的膨胀现象，那根棍子当时就躺在路边，可能是从旁边的玻璃厂里扔出来的废弃物。虽然王伟这样说，但姜宇航仍意识到，那根棍子一定具有某种特别之处。只要弄清楚这一点，其膨胀之谜或许就可以迎刃而解。

        在第一批购买的仪器清单里，就有工业ct和相控阵超声探伤仪。姜宇航想首先通过无损检测的方式，来看看这跟铁棍的内部结构。在不同的角度上进行超声波检测后，他发现这跟铁棍的内部就有数量众多的微小裂缝。超声波在传播的路径上遇到裂缝时，在空气与金属的接触界面上会发生反射，这样就可以通过反射波反推铁棍中的裂缝分布的状况。至于工业ct，它发射的则是x射线——一种能量很高的电磁波，不仅分辨率很高，而且可以通过断层扫描的图像计算裂缝的宽度。姜宇航立刻意识到，这些裂缝大概就是铁棍能大幅膨胀的关键。后来他才知道，这跟铁棍是玻璃厂里用来搅动熔融玻璃液的器件之一，其中的裂缝正是在材料不断的加热和冷却过程中所产生的，也就是所谓的热疲劳裂纹。

        为了验证自己的假设，他从铁棍中截取了一部分，此时触发石仍然可以让其大幅膨胀。接着，他在截取物的两端接入高密度的脉冲电流，使部分裂纹面上的原子重新成键愈合，从而修复了一部分裂纹。将这部分处理后的铁棍样本进行触发，果然不出所料，膨胀系数显著地下降了。

        可是这一切又是为什么呢？裂纹的存在和物体的膨胀有什么关系呢？归根结底，还得从触发石上去寻找原因。对这块石头的检测，姜宇航可就小心多了——毕竟就此一块，一旦损坏可就无可挽回了。超声波探测没有发现什么特别之处，可ct检测一下子就有了发现。在石头的内部，有一块裂纹状的阴影区域，在成像图上极为清晰。姜宇航心想，怪了，如果石头内部有裂纹，超声波检测为何没有显示呢？转念一想，这肯定不是普通的裂纹。就目前的结果来看，裂纹的界面处并不反射超声波，但是却会反射电磁波。这到底是个什么东西呢？他对着石头绞尽脑汁地想了半天，却毫无头绪。有一度，他甚至想切开石头直接看看，但终究还是忍住了这种冲动。不用急，他想，有的是办法，心急吃不了热豆腐。反正石头就在这里，它也不会自己跑了。

        对石头的研究暂时中止了以后，姜宇航把研究方向重新转到石头对其他物体的膨胀触发的规律上来。这其中有一个很明显的相似关联，就是石头内部具有某种不明成分的裂缝状结构，而之前膨胀效应最明显的那根铁棍，其内部同样具有数量众多的疲劳裂纹。他猜测，这两者之间必然具有某种关系。他通过液压伺服疲劳试验机，预制了一批具有不同程度疲劳裂纹的金属材料，通过与触发石的接触，发现它们的膨胀系数果然比一般情况下高得多。这也验证了他的猜测。

        老板，你的票呢？一个矮胖的中年男子走过来，手里拿着一叠门票。姜宇航这才反应过来，这个游乐场是需要买票的。他奇怪自己在进门的时候怎么没有遇到阻拦，但现在再退出去显然已经迟了，他也不太好意思做这种事，于是问明了价格，买了一张门票。矮胖男子撕了一张票给他，说再等几分钟表演就开始了，让他稍等片刻。他扫了一眼露天的观众席，上面稀稀拉拉地只坐了几个人。既然已经买了票，他也就随便找了个位置坐下，并不是为了看什么表演，只是为了找个地方醒醒酒，顺便整理一下自己的思绪。

        在明确了材料中的裂缝和它的触发膨胀之间具有明确关系后，姜宇航开始在各种材料中制造形态各不相同的裂缝，测量它们的膨胀系数。虽然其中的物理机制并不清楚，但应用研究可以先搞起来，并不需要把一切都弄得明明白白再动手。在人类的科学技术发展史上，很多时候都是如此。比如说，即便是现在，人类对于高温超导体的超导机制，也就是说它的电阻为什么会变为零，都没有得出一个明确的结论，但这并不妨碍人们在磁悬浮列车、托卡马克聚变等领域中大量应用这些高温超导材料。测量结果显示，物体的膨胀系数似乎仅仅和其中的裂缝结构相关，而与其本身是什么材料关系不大。即使是岩石与合金这种各方面性质迥异的材料，只要其内部的裂缝结构、尺寸和分布相似，它们在触发后的膨胀率就相差无几。

        但进一步的量化研究遇到了一些难题，那就是很难对裂缝的产生过程进行精细的调控。不管是通过热循环、慢应变速率拉伸、高压撞击还是其他方式，预制裂缝的形态其实都是在众多随机过程的作用下形成的。你根本无法在两个样本中产生一模一样的裂纹。他特地赶去中国矿业大学，找到李~青教授讨论了这个问题。李~青是这方面的专家，他明确地对姜宇航说这不可能。他对姜宇航为何要精细调控裂纹形态产生了好奇，但姜宇航并不打算告诉他真实原因，只是随便找了个理由应付过去了。研究僵持了一段时间，直到有一天，一位研究生找到他，说有了一个重大发现。研究生叫孙剑，之前在一家国企工作，岁数不小了，但不知怎么又辞职考了研，目前跟着姜宇航在做项目。虽然大部分时候都待在宏硕，这边也给他发工资，但其实他的学籍还留在原来的学校，以后的毕业证和学位证仍然由原大学颁发。孙剑说，他在做实验的时候发现一个没有预制裂纹的样本，出现了异常高的膨胀率。他制备了一些样本粉末，用x射线衍射和电子隧道显微镜分析了它们的晶格结构和光谱特性，发现这个样本中含有较多的杂质原子。这些杂质原子在基底材料呈现出随机条纹状的分布，形态和一般的裂纹很接近。孙剑的话给了姜宇航一个很大的启发。他发现自己之前的思路太狭隘了，也许并不是裂缝本身与膨胀系数有关，关键点其实是类似裂缝的这种内部结构。至于这种结构是裂缝引发的，还是杂质原子的分布形成的，两者并没有区别。在这种思路的指导下，接下来他开始往样本里掺杂，有的是随机掺杂，有的是按照特定的位置分布嵌入杂质原子，这样可以更为精细地调控异质结构的形态。这样，预制裂缝随机不可控的问题就被克服了，研究进入了一个全新的阶段。

        说起孙剑，其实也有一件让姜宇航头疼的事。自从跟着他来到宏硕之后，他就一直为这个家伙如何毕业犯愁。研究生毕业需要发表至少一篇论文，但宏硕这边的研究成果又都事前签署了保密协议，所以没法用这些东西写论文。有一次他问孙剑，说毕业的事你怎么考虑的，孙剑倒一脸并不在乎的样子，说自己还没想好。姜宇航说，对于科研方面，我对你完全放心，你的实验技巧不错，基础也扎实，不用我怎么操心，但毕业这事你也要放在心上。孙剑说好，我回去想想。姜宇航说，我觉得可以把裂缝的预制或者样本的掺杂单独抽出来，写一篇实验方向的论文，不提具体的用途，这样应该是可以发的。孙剑立刻答应说，没问题，我抽时间写一下。可是从那之后过了这么久，他也没有发过论文初稿给姜宇航看。或许，他根本就不在乎那个毕业文凭，姜宇航有时候会产生这样的想法。

        坐了几分钟，头痛缓解了好多。面前的场地上，之前那个卖票的矮胖男子牵着一条猴出来，开始演一些简单的猴戏。另一个年轻男子站在场地边缘，装扮成孙悟空的模样，手里拿着一根细小的棍子。姜宇航看到那根棍子，不禁想起了实验室去合肥的材料物理研究所定制的那一批测试棒。

        自从发现掺杂的效果和裂缝一样后，对膨胀效应的量化研究就简单多了。要知道，在材料中调控裂缝的形态很困难，但操纵杂质原子的位置分布就容易多了。制备掺杂的薄膜材料可以用化学气相沉积法，也就是将杂质原子和初始材料一起在气态之下进行沉积；也可以用更精准的分子束外延技术，把杂质原子在高真空状态下直接射向衬底材料。当然，用激光光镊技术或是电子隧道显微镜的探针，甚至可以实现对单个原子的操控，但这样做的成本很高，而且很慢，所以除非是别的方法完全无能为力，姜宇航一般都避免用这种方式制备掺杂样本。本来他还想着自己做，但需要的样本实在太多太杂，即便有研究生帮忙，也顾不过来。所以他改为向合肥的材料所定制，因为他出价很高，对方也很乐意帮他制备这些稀奇古怪的掺杂样本，而且总是做的又快又好。一开始他只是模仿裂缝的形态进行掺杂，但很快就发现，其实完全可以换成别的形态。裂缝的形态其实是一类叫做“扩散置限凝聚”的分形图形，姜宇航试了试其他类型的分形图像，发现效果也不错，有的甚至比裂缝形态更有效。于是，从树状分形到希尔伯特-皮亚诺曲线，他尝试了用各种不同的几何分形图形作为杂质原子的分布区域。他把这些定制的掺杂样本叫做“分形晶体”，虽然不是很准确，但确实很形象。

        不知不觉，猴戏已经进入了尾声。这时候，场地边缘的那个年轻人开始挥舞起手里的棍子。姜宇航听见旁边有人说，来了，精彩的来了。他疑惑地看着场内的表演，想着这有什么好精彩的。就在这时，那年轻人嘴里喊了一声“妖怪，看棍”，就见他手里的棍子真的起了变化，逐渐变粗变大起来。始终沉寂的观众群里也终于有人鼓起掌来。姜宇航想，看了半天，就这戏法还不错，也算是值回票价了。他仔细看着那人的手法，想找找戏法的破绽，但什么也没看出来。棍子还在继续变大，现在已经有两米长、大腿粗细了，观众席上再次响起了喝彩的声音。这时候，姜宇航突然在棍子上看到了两个熟悉的字样——东海。他登地一下站了起来，脸上露出震惊的神色。

        他现在想起来了，前几天仓库收货的时候，确实报告了有一根测试棍在运输途中丢失。工人马上沿原路开车回去找，但始终没有找到丢失的测试棍，这事就这么过去了。其实丢失一件订制样本也不是什么大事，他甚至都没让工人赔偿损失——对于工人来说，几万元的赔偿款可不是一个小数目。反正在每个月的实验测试中，都会有一大批测试样本报废，这不过是在报废单上加个一笔的事。就算王伟知道这事，他也不会多说什么。可是他万万没有想到，竟然在一个破游乐场的猴戏表演上又重新见到了这根测试棍。更让他震惊的是，测试棍竟然还被激发膨胀了。

        整个研究过程中，触发石都是必不可少的。只有它才能让各种测试样本产生膨胀，其中的机理至今不明。而眼前，就在姜宇航的面前，一个测试棍竟然膨胀了，在没有触发石的情况下。这到底是怎么回事？他疑惑中又带着激动。这时，他想起了曾经听过的一句话：“触发石并不一定都是石头。”他之前一直不太理解这句话的意思，但现在好像明白了一点。说这话的人，现在就住在姜宇航的公寓里。在半年之前，他根本就不认识这个人，但这半年以来，他在姜宇航的研究过程中，却提供了极大的帮助。他的思路极为开阔，物理直觉极好。如果没有他，近来的大部分突破性进展或许都不会出现。


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