量子物理学家基思·约翰逊:从材料科学到独立电影的跨界传奇
麻省理工学院(MIT)材料科学与工程系教授基思·H·约翰逊于今年六月在马萨诸塞州剑桥市与世长辞,享年89岁。他不仅是一位在材料科学领域开创理论方法应用的量子物理学家,更是一位将专业知识运用到独立电影制作中的电影人。
约翰逊教授在麻省理工学院材料科学与工程系(DMSE)任职近三十年,以其在材料科学中应用第一性原理而闻名。他倾向于运用自然的基本定律来计算材料的性质,而非仅仅依赖实验数据。
哈里·图勒教授是约翰逊在麻省理工学院材料科学与工程系的同事,他回忆说:“在20世纪80年代初与约翰逊合作时,第一性原理计算并不常见。当时,固态物理学家主要关注使用扩展波函数来模拟半导体和金属等材料的电子结构,这是一种更为快捷的方法。而基思是少数采用更局部化学方法的人之一。”
这种局部方法使得约翰逊能够更好地研究材料中的微小缺陷,例如氧化锌中的缺陷。他的方法促进了对用于气体传感器和水分解制氢系统等设备中的材料的理解。同时,也让他更深入地了解了复杂系统,如超导体(无电阻导电的材料)和富勒烯等分子材料。
2001年,约翰逊将他的科学想象力转化为电影作品《打破对称》。这是一部由他自编、自导、自制的科幻惊悚片。该片于2020年在YouTube上发布,至今已获得超过400万的观看次数。
材料科学领域的理论先驱
1936年,基思·约翰逊出生于宾夕法尼亚州雷丁市。他从小就对科学表现出浓厚的兴趣。“在收到一套化学实验装置后,他在父母家的地下室里建立了一个实验室,”他的妻子弗兰齐斯卡·阿马赫-约翰逊回忆道,“他早期的实验非常激烈,有一次甚至因为化学气味导致全家疏散。”
约翰逊在普林斯顿大学获得物理学学士学位,并于1965年获得坦普尔大学博士学位。1967年,他加入麻省理工学院,当时名为冶金与材料科学系,并在那里工作了近30年。
约翰逊早期在材料科学中应用理论的做法具有开创性。为了模拟原子小团簇(如材料表面、不同材料之间的界面和缺陷)中电子的行为,约翰逊使用了团簇分子轨道计算。这是一种量子力学技术,专注于电子在紧密分组的原子结构中的行为。这些计算为了解缺陷和边界如何影响材料性能提供了深刻的见解。
“这与我们了解金属氧化物中晶界和表面的体缺陷、界面和表面能态在影响各种设备性能方面的作用非常吻合,”图勒说。
在一个项目中,约翰逊和图勒共同指导了一名博士生,该学生对氧化锌器件进行了实验测试,并使用约翰逊的方法进行了理论建模。在当时,实验学家和理论家之间如此紧密的合作是罕见的。他们的工作使得“人们对界面形成的缺陷状态的性质如何影响其性能有了更清晰和更深入的理解,这远早于实验学家和理论家之间的这种合作成为现在的常态。”
约翰逊的主要计算工具是另一种创新,称为散射波方法(也称为Xα多重散射)。尽管该技术起源于20世纪中叶的量子化学和凝聚态物理学,但约翰逊是将其应用于材料领域的一位主要人物。
布莱恩·阿赫恩博士是约翰逊之前的学生,他回忆起约翰逊方法的强大之处。1988年,在评估某些超导材料是否可用于国防部下一代超级计算机时,阿赫恩采访了全美顶尖的科学家。大多数人给出了乐观的评估,但约翰逊除外。约翰逊利用深入的理论计算表明,使用现有材料实际无法实现这种机器所需的零电阻条件。
“我报告了约翰逊的发现,五角大楼的项目被放弃,节省了数百万美元,”阿赫恩说。
从超导体到剧本
约翰逊一直对超导体着迷。这些材料可以无能量损失地导电,使其对诸如MRI机器和量子计算机之类的技术至关重要。但是,它们通常在低温下运行,需要昂贵的设备。当科学家发现所谓的高温超导体(在相对较暖但仍然非常冷的温度(-300华氏度)下工作的材料)时,一场全球竞赛开始了,目的是了解其行为并寻找可以在室温下工作的超导体。
利用他早期开发的理论工具,约翰逊提出小分子单元的振动是超导的原因,这与有关超导成因的传统观念背道而驰。在1992年的一篇论文中,他表明该模型可以应用于包括陶瓷和巴克敏斯特富勒烯在内的多种材料。约翰逊预测,室温超导不太可能实现,因为支撑它的材料太不稳定而无法可靠地工作。
但这并没有阻止他在小说中想象科学突破。苏联解体后的一次俄罗斯咨询之旅激发了约翰逊对剧本创作的兴趣。他的剧本之一是《打破对称》,讲述了一个虚构的麻省理工学院的年轻天体物理学家发现了一项关于激进的新能源技术的秘密研究。当好莱坞的制作交易失败后,约翰逊决定自己出资并执导这部电影,甚至创作了它的特效。
即使在1996年从麻省理工学院提前退休后,约翰逊仍然继续从事研究。2021年,他发表了一篇关于空间水纳米团簇及其在生命起源中可能起到的作用的论文,表明它们的性质可能有助于解释宇宙现象。他还使用他的分析工具提出了暗物质和暗能量的视觉的、基于水的模型,他称之为“典型的水”。
阿马赫-约翰逊说,晚年,约翰逊对通过图像和直觉而非密集的方程式来呈现科学思想越来越感兴趣,他认为没有复杂的数学,人们也应该理解自然。他拥抱多媒体和新兴数字工具(包括人工智能)来分享他的想法。他的几个演示文稿可以在他的YouTube频道上找到。
“他从未将自己局限于一个领域,”阿马赫-约翰逊解释说。“物理学、化学、生物学、宇宙学——所有这些都是他理解宇宙的统一愿景的一部分。”
除了阿马赫-约翰逊,约翰逊还留下了他的女儿。
对基思·约翰逊的学术贡献和电影生涯的深度解析
基思·约翰逊教授的一生是一部跨越学科界限的传奇。他不仅在量子物理和材料科学领域做出了卓越的贡献,还勇敢地踏入了独立电影制作的世界,将科学的严谨与艺术的创意巧妙地融合在一起。本文将深入探讨约翰逊教授的学术生涯,着重分析他对材料科学理论的贡献,同时回顾他的电影创作历程,以期全面展现这位杰出学者的多重身份。
材料科学领域的理论创新
约翰逊教授在材料科学领域最显著的贡献在于他对第一性原理的运用。在那个实验数据至上的年代,约翰逊教授独辟蹊径,运用自然的基本定律来计算材料的性质。这种方法不仅为科学家提供了更深入的材料内在行为的理解,也为当今计算机驱动的材料发现方法奠定了基础。通过对电子在材料中的行为进行建模,约翰逊教授能够预测材料的性能,这在实验验证之前大大加快了材料研发的进程。例如,他对氧化锌等材料中微小缺陷的研究,加深了我们对气体传感器和水分解制氢系统等设备中材料行为的理解。
散射波方法与分子轨道计算的先驱
约翰逊教授对散射波方法(Xα多重散射)的贡献也不容忽视。作为一种量子力学技术,散射波方法可以有效地模拟原子团簇中电子的行为。约翰逊教授将这一方法创造性地应用于材料科学,为理解材料表面、界面和缺陷的性质提供了强大的工具。此外,约翰逊教授还积极倡导团簇分子轨道计算,这是一种专注于电子在紧密原子结构中行为的技术。通过这些计算,科学家们能够更深入地了解缺陷和边界如何影响材料的性能。
从超导材料到宇宙学:约翰逊的学术视野
约翰逊教授对科学的探索并不仅限于材料科学。他对超导材料的兴趣,引导他提出了分子振动导致超导的创新观点。尽管这一观点与传统理论有所不同,但约翰逊教授通过严谨的数学模型和实验数据,为他的理论提供了有力的支持。此外,约翰逊教授还将他的研究兴趣扩展到宇宙学领域。他提出了水纳米团簇在宇宙中可能扮演的角色,并提出了暗物质和暗能量的“典型水”模型。这些研究充分展现了约翰逊教授广阔的学术视野和深刻的洞察力。
《打破对称》:科学与艺术的融合
除了在学术上的卓越成就,约翰逊教授还是一位充满激情的电影人。他自编、自导、自制的科幻惊悚片《打破对称》是他将科学与艺术融合的典范。这部电影讲述了一个年轻天体物理学家发现新能源技术秘密研究的故事。尽管电影在商业上并未取得巨大成功,但它充分展现了约翰逊教授的创造力和对科学的独特见解。
约翰逊教授的学术遗产
基思·约翰逊教授的一生是一部跨越学科界限的传奇。他不仅在量子物理和材料科学领域做出了卓越的贡献,还勇敢地踏入了独立电影制作的世界。他的研究成果和电影作品将继续激励着后人,他的学术遗产将永远铭记在科学史和电影史上。
总而言之,基思·约翰逊教授的职业生涯证明了跨学科研究的价值和可能性。他不仅是一位杰出的科学家,也是一位有远见的电影制作人。他的工作激励着我们打破学科壁垒,将科学的严谨与艺术的创意相结合,以创造更美好的未来。
对后世的影响
基思·约翰逊教授的逝世,无疑是科学界和艺术界的一大损失。然而,他所留下的学术遗产和精神财富,将继续激励着后人不断前行。约翰逊教授的治学态度和创新精神,值得我们每一个科研工作者学习和发扬。他勇于挑战传统、敢于探索未知的精神,将继续引领我们在科学的道路上不断探索。
约翰逊教授对材料科学理论的贡献是不可磨灭的。他所开创的第一性原理计算方法,已经成为材料科学研究的重要工具。他提出的散射波方法和分子轨道计算方法,为我们理解材料的微观结构和性质提供了新的视角。这些理论不仅在学术上具有重要价值,也在实际应用中发挥着重要作用。
约翰逊教授的电影作品,也为我们提供了一种新的思考方式。他将科学的严谨与艺术的创意相结合,创作出了一部部充满想象力和哲理的电影作品。这些电影不仅具有娱乐性,也引发了我们对科学、技术和人类社会关系的深刻思考。
结论
基思·约翰逊教授的一生,是一部充满智慧、勇气和创造力的传奇。他不仅是一位杰出的科学家,也是一位有远见的电影制作人。他的学术遗产和精神财富,将继续激励着我们在科学和艺术的道路上不断前行。让我们铭记基思·约翰逊教授的名字,向他致敬!