不僅僅是鳥類的眼睛，準(zhǔn)晶體、隨機(jī)數(shù)陣、宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，甚至乳濁液和膠質(zhì)等軟物質(zhì)系統(tǒng)中都發(fā)現(xiàn)了“超齊構(gòu)體”的身影。而在對(duì)“超齊構(gòu)體”現(xiàn)象研究的這一過程中，他們發(fā)現(xiàn)了這種“超齊構(gòu)體”材料有許多實(shí)用的新特性。
當(dāng)圣路易斯華盛頓大學(xué)的喬·科爾博（Joe Corbo）教授透過顯微鏡觀察雞的眼睛裝片時(shí)，一些非常奇妙的東西映入了他的視野：分布在雞視網(wǎng)膜上的、用來感知色彩的視錐細(xì)胞竟以斑點(diǎn)狀的形態(tài)呈現(xiàn)出5種不同大小和顏色。更令科爾博教授感到吃驚的是，雞的視錐細(xì)胞排布呈現(xiàn)出一種他從未見過的模式：已知人類的視錐細(xì)胞是隨機(jī)分布的，許多魚類的視錐細(xì)胞則是整齊地一列列排布的，而雞類的視錐細(xì)胞居然是一種同時(shí)兼具偶然性和高度均勻性的分布模式。這些視錐細(xì)胞的斑點(diǎn)并沒有什么特定的分散規(guī)律，但是不同斑點(diǎn)之間的距離總是不遠(yuǎn)不近。無論是單獨(dú)考察5種不同視錐細(xì)胞的任意一種，還是同時(shí)考察所有的視錐細(xì)胞，它們都呈現(xiàn)出一種迷人的隨機(jī)與秩序的統(tǒng)一。
科爾博被這種現(xiàn)象深深地迷住了。他和合作者希望能弄清楚這種視錐細(xì)胞呈現(xiàn)的圖案的形成過程以及它的功能。不過，此時(shí)的他并不知道這些類似問題在此之前是否已經(jīng)被許多人在不同的情境下問過，還是他通過這些生物學(xué)現(xiàn)象首次發(fā)現(xiàn)了一條在數(shù)學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域也時(shí)常出現(xiàn)的隱藏規(guī)律。
令人震驚的發(fā)現(xiàn)
科爾博覺得，這個(gè)問題的答案應(yīng)該從鳥類視網(wǎng)膜本身的功能去尋找。鳥類的視覺一直非常出色，比如鷹就可以從一千米以外的高空鎖定一只小小的老鼠?？茽柌┑膶?shí)驗(yàn)室研究的課題，就是鳥類如何從進(jìn)化性適應(yīng)中得到如此出色的視力。
與哺乳動(dòng)物不同，鳥類的眼睛有足夠長(zhǎng)的時(shí)間在演化中優(yōu)化，它們視錐細(xì)胞的數(shù)量更多，分布也更為均勻。科爾博教授和他的同行感到困惑的是，為什么鳥類的視錐細(xì)胞沒有演化出更為完美的秩序規(guī)則——比如網(wǎng)格或晶格狀排列呢？似乎看起來最有可能的解釋是，這種在鳥類視網(wǎng)膜中發(fā)現(xiàn)的奇怪的、無法分類的分布是在某種未知約束條件下的最優(yōu)態(tài)。這些約束條件是什么？這種視錐細(xì)胞的分布是什么？鳥類的視覺系統(tǒng)是如何變成這樣子的？這些問題都還沒有答案。生物學(xué)家們已經(jīng)竭盡全力去尋找視網(wǎng)膜上細(xì)胞的分布規(guī)律，但這屬于他們不熟悉的領(lǐng)域，他們需要幫助。
2012年，科爾博教授聯(lián)系了普林斯頓大學(xué)的理論化學(xué)教授薩爾瓦托雷·托爾夸托（Salvatore Torquato），他是研究堆積問題的著名學(xué)者。所謂堆積問題，就是研究如何在有限維度中最密集地堆積物體的問題，而在這里，就是研究在鳥類視網(wǎng)膜的二維空間中如何排下最多的五種不同的視錐細(xì)胞。托爾夸托對(duì)這些視網(wǎng)膜圖案的數(shù)碼照片運(yùn)行了一些算法，結(jié)果讓他完全驚呆了?？茽柌┙淌谡f：“他發(fā)現(xiàn)，他在這些視網(wǎng)膜圖案中觀察到的現(xiàn)象，同樣發(fā)生于許多無機(jī)化學(xué)和物理的系統(tǒng)之中。”
托爾夸托從21世紀(jì)初就開始研究這種他稱之為“超齊構(gòu)體”的全新分布模式。從那之后，這種現(xiàn)象在不同系統(tǒng)中層出不窮：不僅僅是鳥類的眼睛，準(zhǔn)晶體、隨機(jī)數(shù)陣、宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，甚至乳濁液和膠質(zhì)等軟物質(zhì)系統(tǒng)中都發(fā)現(xiàn)了“超齊構(gòu)體”的身影。而在對(duì)“超齊構(gòu)體”現(xiàn)象研究的這一過程中，他們發(fā)現(xiàn)了這種“超齊構(gòu)體”材料有許多實(shí)用的新特性。
隱藏的規(guī)律
托爾夸托和他的一位同事研究“超齊構(gòu)體”現(xiàn)象已有13年，為了從理論上闡釋這一現(xiàn)象，他們舉了一個(gè)簡(jiǎn)單卻出人意料的例子：“想象你有許多玻璃彈珠，你把它們都放進(jìn)一個(gè)瓶子里，使勁搖晃直到所有可移空間都被填滿，珠子不再移動(dòng)，”托爾夸托在他普林斯頓的辦公室里說道，“類似這樣的系統(tǒng)，就是‘超齊構(gòu)體’?！?/p>
上述情況中玻璃珠子的排布模式在學(xué)術(shù)上有著專業(yè)的名稱——最大隨機(jī)堵塞堆積，這種排布僅填滿所有區(qū)域的64%，剩下的區(qū)域留空。這種排布并不是已知球體最密集的堆積方式，已知的球體最密集堆積方式是晶格堆積（想象集裝箱里堆橘子的方式），這種排布能填滿總體積的74%。但是晶格排布并不是在所有情況下都能達(dá)到的，你不可能輕松地將一盒玻璃彈珠“搖”成無比規(guī)則的晶體狀分布，更不用說還要使五種不同大小的物體形成規(guī)則的晶格，托爾夸托解釋道，而這正是雞類視錐細(xì)胞所遇到的困境。
讓我們用放在水平桌面上的硬幣來代替視錐細(xì)胞?！叭绻阆朐谧烂嫔掀戒伻舾擅?美分硬幣，讓它們占的總面積最小，你肯定會(huì)選擇把它們排成最小單位為三角形的一種排布方式。”托爾夸托這么說道，“但如果又加入了若干枚五美分硬幣呢？新加入的不同種硬幣將會(huì)阻礙整個(gè)體系形成規(guī)則的晶格。而鳥的視網(wǎng)膜中有5種不同的成分——想象桌面上又新添了10美分、25美分，還有其他別的硬幣——這必將使得體系的晶格化變得越來越困難?！蓖恚B類的幾種視錐細(xì)胞大小也各不相同，幾何學(xué)原理迫使它們無序化，但是在演化過程中無比激烈的競(jìng)爭(zhēng)又希望視網(wǎng)膜能夠盡可能均勻地感光，即希望同種顏色感受細(xì)胞相距盡可能遠(yuǎn)的距離。權(quán)衡利弊，“系統(tǒng)最后呈現(xiàn)出來的就是這樣一種無序超齊構(gòu)體?！蓖袪柨渫羞@樣解釋。
超齊構(gòu)體讓鳥類在視覺方面最大限度地?fù)碛辛藘蓚€(gè)優(yōu)勢(shì)因素：既有多達(dá)5種的視錐細(xì)胞，又讓每種視錐細(xì)胞近乎均勻地鑲嵌在視網(wǎng)膜上，這帶給了鳥類驚人的色彩分辨能力，只不過這種隱藏的規(guī)律我們還無法用自己的眼睛感知到。
群“材”薈萃
“我越深入地研究它，就越能發(fā)現(xiàn)它的原理是多么優(yōu)雅，它的概念是多么令人嘆服?！碑?dāng)亨利·科恩（Henry Cohn）提起“超齊構(gòu)體”時(shí)，他是這么形容的，“而且不單是它的理論，更讓我驚訝的是它廣泛的應(yīng)用前景?！?/p>
當(dāng)科學(xué)家們苦思冥想、試圖把所有線索都串在一起的時(shí)候，超齊構(gòu)體材料的一些驚人特性也隨之浮出了水面：它們其實(shí)具備著一些晶體所特有的性質(zhì)，而且還不那么易受結(jié)構(gòu)差異的影響——在這點(diǎn)上，它們的性質(zhì)更接近玻璃，或是其他一些沒有相干性的非晶體。在Optica雜志新發(fā)表的一篇論文中，以雷米·卡爾米納蒂（ Rémi Carminati）為首的法國(guó)科學(xué)家們報(bào)道致密的超齊構(gòu)體材料可以被制作成透明材料，而同樣密度的無序布局材料卻達(dá)不到這一點(diǎn)，這是因?yàn)殡[藏在微粒相對(duì)位置間的神秘規(guī)律干擾、抵消了散射光?！斑@些干擾因素破壞了光的散射，”卡爾米納蒂解釋道，“由于材料是勻質(zhì)的，光線就直接透了過去?！边@種致密、透明的非晶體的材料到底有什么用？回答這個(gè)問題可能還為時(shí)尚早，“但是它們肯定有應(yīng)用前景——尤其在光子學(xué)這一方面?！?/p>
去年秋天，從法國(guó)里昂高等師范學(xué)校的德尼·巴爾托洛（Denis Bartolo）為首的物理學(xué)家們?cè)凇段锢碓u(píng)論快報(bào)》上發(fā)表了他們的研究成果，他們發(fā)現(xiàn)乳濁液的超齊構(gòu)體是可以被特定振幅的晃動(dòng)所誘發(fā)的，這一振幅標(biāo)志了材料從可逆到不可逆性的臨界轉(zhuǎn)變：當(dāng)體系以低于臨界振幅的幅度晃動(dòng)時(shí)，分散在乳濁液體系中的微粒在每次晃動(dòng)停止之后還可以回到它們之前的相對(duì)位置；而當(dāng)體系以高于臨界振幅的幅度晃動(dòng)時(shí)，微粒的運(yùn)動(dòng)就是不可逆的了。
巴爾托洛關(guān)于乳濁液超齊構(gòu)體體系的研究成果已經(jīng)應(yīng)用到了實(shí)踐當(dāng)中，成為混合水泥、美容面霜、玻璃，甚至食物的簡(jiǎn)易秘方?！盁o論何時(shí)，如果你想將小分子顆?；烊胍粓F(tuán)漿糊之中，你永遠(yuǎn)得面對(duì)惱人的攪拌問題，”他說道，“而研究超齊構(gòu)體時(shí)找出的規(guī)律可能就能給我們帶來一種均勻分散固體小分子的新方法。你只要先找到該材料的特征振幅，然后用該振幅震蕩若干次，就能得到一個(gè)均勻混合的超齊構(gòu)體分散體系了。”
托爾夸托和他們的合作者組建了一家名為Etaphase的創(chuàng)業(yè)公司，生產(chǎn)超齊構(gòu)體光子回路——一種以光而不是電子為介質(zhì)來傳輸信息的設(shè)備。幾年前，普林斯頓的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)超齊構(gòu)體材料存在“帶隙”，可以在傳播過程中屏蔽特定的頻率。帶隙使得數(shù)據(jù)的控制傳輸成為可能，因?yàn)楸黄帘蔚念l率可以用波導(dǎo)管來容納并引導(dǎo)。帶隙曾經(jīng)一度被認(rèn)為是晶體材料所特有的性質(zhì)，傳輸方向取決于晶體材料的對(duì)稱軸，這意味著光子波導(dǎo)只能沿著特定的方向傳播，制約了該材料作為電路的應(yīng)用前景。不過，由于超齊構(gòu)體材料沒有傳輸方向的限制，帶隙在這里可能更為實(shí)用，幫助我們?cè)斐瞿軡M足任何需求的強(qiáng)力波導(dǎo)。
稿件來源：《環(huán)球科學(xué)》（《科學(xué)美國(guó)人》中文版）
撰文：Natalie Wolchover
翻譯：葉宣伽
———— 釋疑 ————
鳥類“多視錐超齊構(gòu)體”是如何形成的
超齊構(gòu)體系統(tǒng)主要分為兩類。第一類是在系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)呈現(xiàn)出的超齊構(gòu)體分布，準(zhǔn)晶體（一類內(nèi)部原子不遵守重復(fù)規(guī)律排布，卻能完全鑲嵌滿空間的神奇固體）就是其中之一。在這一類平衡系統(tǒng)之中，微粒間的相互斥力使不同成分間保持距離，從而維系超齊構(gòu)體狀態(tài)。
第二類超齊構(gòu)體屬于非平衡系統(tǒng)，組成系統(tǒng)的微粒之間相互碰撞，但彼此之間不存在相互斥力，必須要有外力施加于這些系統(tǒng)才能使系統(tǒng)維持超齊構(gòu)體的狀態(tài)。玻璃彈珠、乳濁液、膠質(zhì)及冷原子系綜都屬于上述類型。
至于鳥類眼睛中，被科學(xué)家們稱為“多視錐超齊構(gòu)體”的五色分布模式，至少迄今為止，是大自然獨(dú)一無二的存在?？茽柌┙淌谌匀徊荒苊鞔_指出這種圖案是如何形成的。它是像第一類平衡系統(tǒng)那樣，是由于不同視錐細(xì)胞的分子互斥而出現(xiàn)的，還是像一盒被搖出來的玻璃彈珠？科爾博認(rèn)為事情的真相可能更偏向前者，細(xì)胞可以在不影響其它異種細(xì)胞的情況下分泌一種排斥同種細(xì)胞的小分子，很有可能在胚胎發(fā)育階段，每種視錐細(xì)胞的分化信號(hào)在促使特定細(xì)胞分化的同時(shí)，也會(huì)抑制周圍細(xì)胞發(fā)生一樣的變化。“但這只是一個(gè)有待完善的簡(jiǎn)單模型，”他說，“每個(gè)細(xì)胞的局部活動(dòng)都會(huì)事關(guān)整體?！?/p>
除了雞之外（雞是實(shí)驗(yàn)室最容易獲得的禽類動(dòng)物），科爾博在其它三種鳥類身上也發(fā)現(xiàn)了同樣的“多視錐超齊構(gòu)體”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象表明，“超齊構(gòu)體”方向的適應(yīng)性進(jìn)化是普遍存在的，并不僅僅只是某種特定環(huán)境下的產(chǎn)物。
