在材料科学领域，理论物理学家往往扮演着幕后的角色，而实验则占据着舞台的中心。然而，基思·约翰逊教授却以其深邃的理论洞察力，为这个以实验为主导的学科带来了变革。不仅如此，他还将自己的科学热情延伸到了电影领域，成为了一位独具风格的独立电影制作人。
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，他最令人称道的贡献在于将第一性原理理论应用于材料科学。他坚信，理解材料行为的关键在于运用自然界的基本定律，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刻的材料认知，使得在实验室合成之前就能预测其性能，为如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的资深教授，曾在20世纪80年代与约翰逊教授有过合作。他回忆说，尽管现在第一性原理计算已经司空见惯，但在当时却是一种相当 необычный 的方法。“当时，固态物理学家主要关注的是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。这种方法虽然快捷，但约翰逊教授却坚持采用一种更为 локализованный 的化学方法。
这种 локализованный 的方法使得约翰逊教授能够更深入地研究材料中微小的缺陷，例如氧化锌中的缺陷。他的研究成果极大地推动了对气体传感器和水分解制氢系统等设备中所用材料的理解。此外，他还对超导体（一种在无电阻情况下导电的材料）和分子材料（如“巴基球”）等复杂系统有着深刻的见解。
2001年，约翰逊教授将他的 творческий подход 转化为一部科幻惊悚片《打破对称》。这部电影由他亲自编剧、制作和导演，讲述了一位在虚构的麻省理工学院工作的年轻天体物理学家，无意中发现了一项关于 радикально 新能源技术的秘密研究。该片于2020年发布在YouTube上，至今已获得超过400万次的观看。
DMSE的理论先驱
基思·约翰逊于1936年出生于宾夕法尼亚州的雷丁市。从小，他就对科学表现出浓厚的兴趣。“小时候收到一套化学实验器材后，他就在父母家的地下室里建了一个实验室，”他的妻子弗朗西斯卡·阿马彻-约翰逊回忆道。“他早期的实验非常激烈——有一次，化学气味甚至导致了全家疏散。”
1965年，约翰逊教授在普林斯顿大学获得物理学学士学位，并在天普大学获得博士学位。1967年，他加入麻省理工学院的教职队伍，当时该系被称为冶金与材料科学系。他在那里工作了近30年。
他对材料科学中理论的早期应用带来了更多的开创性成果。为了模拟原子簇（如材料表面、不同材料之间的界面和缺陷）中电子的行为，约翰逊教授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 группированных 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，该学生对氧化锌设备进行了实验测试，并使用约翰逊教授的方法进行了理论建模。在当时，实验学家和理论家之间的这种密切合作非常罕见。他们的工作使得人们“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，对界面形成的缺陷态的性质如何影响其性能有了更清晰和先进的理解，”图勒教授说。
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 ведущим 人物。
布赖恩·阿赫恩是约翰逊教授早期的学生，他回忆起了教授方法的强大之处。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。大多数人给出了乐观的评估——除了约翰逊教授。约翰逊教授通过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中实际上是无法实现的。
“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
约翰逊教授对超导体一直着迷。这些材料可以在没有能量损失的情况下导电，这使得它们对诸如MRI机器和量子计算机之类的技术至关重要。但是，它们通常在低温下工作，这需要昂贵的设备。当科学家们发现所谓的高温超导体时——这些材料在相对较温暖但仍然非常寒冷（-300华氏度）的温度下工作——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。
约翰逊教授利用他早期开发的理论工具，提出小分子单元的振动是超导性的原因——这与关于超导性原因的传统观念背道而驰。在一篇1992年的论文中，他表明该模型可以应用于多种材料，包括陶瓷和富勒烯。约翰逊教授预测，室温超导不太可能实现，因为支撑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教授对剧本创作的兴趣。在他的剧本中，有一部名为《打破对称》的电影，讲述了一位在虚构的麻省理工学院工作的年轻天体物理学家，无意中发现了一项关于 радикально 新能源技术的秘密研究。当好莱坞的制作协议失败时，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”。
阿马彻-约翰逊说，晚年，约翰逊教授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也能理解。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，”阿马彻-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。”
除了阿马彻-约翰逊，约翰逊教授还留下了他的女儿。
