理论之光：材料科学与电影艺术的双重奏——纪念基思·约翰逊教授
在麻省理工学院材料科学与工程系（DMSE）的辉煌历史中，基思·H·约翰逊教授无疑是一位独树一帜的传奇人物。他不仅是一位在固态物理领域深耕数十载的资深学者，更是一位将理论洞见巧妙融入实验学科，最终跨界电影艺术的创新者。2025年6月，约翰逊教授在马萨诸塞州剑桥市与世长辞，享年89岁，留下了他在科学与艺术领域中熠熠生辉的足迹。
约翰逊教授在MIT的近三十年教学生涯中，以其对材料科学的独特理论视角而闻名。他倡导运用第一性原理——即从自然界的基本定律出发，直接计算材料的电子行为，而非仅仅依赖实验数据。这种前瞻性的方法为科学家们提供了在实验室合成材料之前，便能深入了解其内在性质的宝贵工具，为当今计算机驱动的材料发现方法奠定了坚实的基础。
DMSE的哈里·图勒教授，曾在上世纪80年代初与约翰逊教授有过密切合作。他回忆道，尽管如今的第一性原理计算已司空见惯，但在当时却是一种相当 необычный 的方法。“固态物理学家们当时主要专注于使用扩展波函数来模拟半导体和金属等材料的电子结构，”图勒教授解释道，他指的是对晶体中电子行为的数学描述——一种更为快捷的方法。“基思是少数采用更 локализованный 化学方法的人之一。”
这种 локализованный 方法使得约翰逊教授能够更 эффективно 地研究材料中被称为缺陷的微小不完美之处，例如氧化锌中的缺陷。他的方法极大地促进了人们对用于气体传感器和水分解制氢系统等设备中材料的理解。此外，它还加深了他对诸如超导体（一种在无电阻情况下导电的材料）和像“巴基球”这样的分子材料等复杂系统的认识。
约翰逊教授的求知欲在2001年以一种创造性的形式得以展现——他自编、自导、自演了一部科幻惊悚片“打破对称”。这部影片于2020年在YouTube上发布，至今已吸引了超过400万次的观看。
DMSE的理论先驱
1936年，约翰逊教授出生于宾夕法尼亚州的雷丁市，从小就对科学表现出浓厚的兴趣。“在收到一套化学实验设备后，他就在父母家的地下室里建立了一个实验室，”他的妻子弗朗西斯卡·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烟雾而导致全家疏散。”
他于普林斯顿大学获得了物理学学士学位，并于1965年获得了天普大学的博士学位。1967年，他加入了麻省理工学院的教职队伍，当时该系还被称为冶金与材料科学系，并在那里工作了近30年。
约翰逊教授早期在材料科学中对理论的运用促成了更多的开拓性研究。为了模拟原子小簇（如材料表面、不同材料之间的边界以及缺陷）中电子的行为，他使用了簇分子轨道计算——一种专注于电子在紧密分组的原子结构中如何行为的量子力学技术。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。
“这与我们理解体缺陷、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非常吻合，”图勒教授说。
在一个项目中，约翰逊教授和图勒教授共同指导了一名博士生，他既对氧化锌器件进行了实验测试，又使用约翰逊教授的方法进行了理论建模。当时，实验学家和理论家之间如此紧密的合作非常罕见。他们的工作促成了“对界面形成的缺陷态的性质如何影响其性能的更清晰和更深入的理解，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。”图勒说。
约翰逊教授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，但约翰逊教授是将其应用于材料领域的主要人物。
布莱恩·阿赫恩博士（84届），约翰逊教授以前的学生之一，回忆起他的方法的强大之处。1988年，在评估某些超导材料是否可用于国防部的下一代超级计算机时，阿赫恩采访了全国各地的 ведущие 科学家。除了约翰逊教授外，大多数人都分享了乐观的评估。约翰逊教授利用深入的理论计算表明，这种机器所需的零电阻条件在可用的材料下是不切实际的。
“我报告了约翰逊教授的发现，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
约翰逊教授一直对超导体着迷。这些材料可以无能量损耗地导电，使其对诸如MRI机器和量子计算机等技术至关重要。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，一场全球性的竞赛开始了，以了解它们的行为并寻找可以在室温下运行的超导体。
使用他早期开发的理论工具，约翰逊教授提出小分子单元的振动是超导性的原因——这与关于超导性成因的传统思维大相径庭。在1992年的一篇论文中，他表明该模型可以应用于各种材料，包括陶瓷和富勒烯，昵称为巴基球，因为它的分子类似于建筑师巴克敏斯特·富勒的测地圆顶。约翰逊教授预测室温超导不太可能实现，因为支持它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教授对剧本创作的兴趣。在他的剧本中，有“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一种 радикальный 新能源技术的秘密研究。当好莱坞的制作交易失败后，约翰逊教授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，约翰逊教授仍然继续从事研究。2021年，他发表了一篇关于空间中的水纳米团簇及其在生命起源中可能作用的论文，表明它们的特性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”。
晚年，约翰逊教授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就应该可以理解自然，阿马赫-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。
“他从不将自己局限于一个领域，”阿马赫-约翰逊解释说。“物理，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，约翰逊教授还留下了他的女儿。
启示与反思
基思·约翰逊教授的一生是一部跨越科学与艺术的壮丽史诗。他不仅在材料科学领域取得了卓越的成就，为后人留下了宝贵的理论财富，更以其独特的视角和创造力，将科学的严谨与艺术的浪漫巧妙融合。他的故事告诉我们，真正的创新往往来自于对不同领域知识的融会贯通，以及对未知世界永无止境的探索。
在当今这个科技日新月异的时代，我们应该学习约翰逊教授那种敢于质疑传统、勇于探索未知的精神。无论是科学家还是艺术家，都应该保持开放的心态，积极拥抱新的思想和技术，不断拓展自己的知识边界。只有这样，我们才能在这个充满挑战和机遇的时代中，不断取得新的突破，为人类的进步做出更大的贡献。
约翰逊教授的逝世是科学界和艺术界的一大损失，但他留下的精神遗产将永远激励着我们前行。让我们铭记这位伟大的学者和艺术家，以他的创新精神为指引，在各自的领域中不断追求卓越，为创造更加美好的未来而努力奋斗。
