在材料科学领域，理论物理学家常常扮演着举足轻重的角色。他们运用深刻的理论洞察力，为实验驱动的学科注入了新的活力。麻省理工学院（MIT）的基思·约翰逊教授就是这样一位杰出的人物。他不仅在固态物理学领域做出了卓越贡献，还跨界进入电影行业，展现了他非凡的创造力和想象力。
约翰逊教授在MIT材料科学与工程系任教近三十年，以其在材料科学中应用第一性原理而闻名。他坚持运用自然的基本定律来理解材料的性质，而不是仅仅依赖实验数据。这种方法为科学家们提供了更深入的材料理解，为当今计算机驱动的材料发现方法奠定了基础。
哈里·图勒教授是DMSE的一位教授，曾在20世纪80年代初与约翰逊合作。他指出，虽然第一性原理计算现在很常见，但在当时却是非同寻常的。
“固态物理学家主要关注于使用扩展波函数对半导体和金属等材料的电子结构进行建模，”图勒说，他指的是晶体中电子行为的数学描述——一种更快的方法。“基思是少数采用更局域化化学方法的人之一。”
这种局域化的方法使约翰逊能够更好地检查具有微小缺陷的材料，例如氧化锌。他的方法促进了对用于气体传感器和用于氢燃料的水分解系统等设备中的材料的理解。它还使他对复杂的系统有了更深入的了解，例如超导体（无电阻导电的材料）和分子材料，如“巴克球”。
2001年，约翰逊的好奇心以创造性的形式展现出来，他创作、制作和导演了科幻惊悚片《打破对称》。该片于2020年在YouTube上发布，观看次数已超过400万次。
约翰逊教授的职业生涯横跨多个领域，他的故事不仅仅是一位物理学家的学术成就，更是一位勇于探索、不断创新的科学家的精神写照。
DMSE的开拓性理论家
基思·约翰逊于1936年出生于宾夕法尼亚州的雷丁，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，他在父母的地下室里建造了一个实验室，”他的妻子弗兰齐斯卡·阿马彻-约翰逊说。“他早期的实验非常激烈——有一次因为化学烟雾而导致房屋被疏散。”
1965年，他获得了普林斯顿大学的物理学本科学位和天普大学的博士学位。1967年，他加入麻省理工学院的教师队伍，当时被称为冶金和材料科学系，并在那里工作了近30年。
他早期在材料科学中对理论的使用导致了更多的开拓。为了模拟原子小簇（如材料表面、不同材料之间的边界（称为界面）和缺陷）中电子的行为，约翰逊使用了簇分子轨道计算，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方式。这些计算提供了对缺陷和边界如何影响材料性能的深入了解。
“这与我们对体缺陷、界面和表面能态在金属氧化物晶界和表面在影响其在各种设备中的性能方面的作用的理解非常吻合，”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，该学生使用约翰逊的方法进行了氧化锌设备的实验测试和理论建模。当时，实验学家和理论家之间如此密切的合作是罕见的。他们的工作导致了“对界面处形成的缺陷态的性质如何影响其性能的更清晰和更先进的理解，早在实验学家和理论家之间的这种合作成为现在的常态之前，”图勒说。
约翰逊的主要计算工具是另一项创新，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应用的主要人物。
布莱恩·阿赫恩博士（84届）是约翰逊的前学生之一，他回忆起他的方法的威力。1988年，在评估某些超导材料是否可以用于国防部的下一代超级计算机时，阿赫恩采访了全国各地的顶尖科学家。大多数人分享了乐观的评估——除了约翰逊。约翰逊利用深入的理论计算表明，这种机器所需的零电阻条件在现有材料下是不可能实现的。
“我报告了约翰逊的发现，五角大楼的项目被放弃了，节省了数百万美元，”阿赫恩说。
从超导体到剧本
约翰逊仍然对超导体着迷。这些材料可以无能量损失地导电，使其对MRI机器和量子计算机等技术至关重要。但它们通常在低温下运行，需要昂贵的设备。当科学家们发现所谓的高温超导体——在相对较暖但仍然非常寒冷（-300华氏度）的温度下工作的材料——时，一场全球性的竞赛开始了，以了解它们的行为并寻找可以在室温下工作的超导体。
约翰逊使用他早期开发的理论工具，提出小分子单元的振动是超导的原因——这与关于超导原因的传统观念不同。在1992年的一篇论文中，他表明该模型可以应用于一系列材料，包括陶瓷和富勒烯，昵称为巴克球，因为它的分子类似于建筑师巴克敏斯特·富勒的测地圆顶。约翰逊预测室温超导不太可能，因为支持它所需的材料太不稳定而无法可靠地工作。
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》，讲述了一位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时，约翰逊决定自己资助和导演这部电影——甚至创造了它的特效。
即使在他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，他发表了一篇关于太空水纳米团簇及其在生命起源中可能作用的论文，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、水基模型——他称之为“典型的水”。
在他的晚年，约翰逊越来越有兴趣通过图像和直觉而不是密集的方程式来呈现科学思想，他认为自然应该在没有复杂数学的情况下是可以理解的，阿马彻-约翰逊说。他拥抱多媒体和新兴的数字工具——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，”阿马彻-约翰逊解释说。“物理学、化学、生物学、宇宙学——都是他理解宇宙的统一愿景的一部分。”
除了阿马彻-约翰逊，约翰逊还留下了一个女儿。
约翰逊教授的离世，无疑是科学界的一大损失。然而，他留下的学术遗产和创新精神，将继续激励着后来的研究者们不断前行。他不仅是一位杰出的科学家，更是一位富有创造力和远见的思想家。他的故事告诉我们，科学的探索永无止境，而真正的创新往往来自于跨界的思考和实践。我们应该学习约翰逊教授的这种精神，勇于探索未知，敢于挑战传统，为科学的发展贡献自己的力量。
