“你們所發現的，就是一個足球啊！”_風聞

撰文 | 劉鈍

1985年9月的某一天，英國蘇塞克斯大學的克羅託（Harold Kroto）即將結束在德州賴斯大學的短期訪問，行前邀請幾位美國同事參加一個告別晚餐。餐桌上的話題只有一個：由60個碳原子構成的原子簇C60存在嗎？如果存在的話其結構是什麼樣的？克羅託和受邀者們在餐巾紙上描畫着不同的立體圖形，結果莫衷一是。

在過去一年多的時間裏，克羅託與賴斯大學的柯爾（Robert Curl）、斯莫利（Richard Smalley）等人致力於一類大型碳分子結構的探索，他們的實驗團隊利用斯莫利發明的一台團簇發生器，檢測出了C60和一些類似碳原子簇的微波信號，這些信號與克羅託通過射電望遠鏡在某些太空區域捕捉到的信號高度相似。問題是，這麼多的碳原子是怎樣結合在一起形成一種穩定結構的？人們自然會想到碳元素最常見的兩種形態——石墨與金剛石，其中石墨系由眾多呈六邊形排列的碳原子層疊構成，可否將一個具有六邊形基本結構的大網彎曲起來（通過壓力、温度的變化或摻入雜質）構成一個球狀物呢？一開始，克羅託他們都是按照這一思路去考慮的。不過在當天的晚餐上，他突然想起自己蘇塞克斯家裏的一個硬紙板玩具，那是當年為兒子買的星穹模型，隱約記得上面除了六邊形還有五邊形。

回到臨時借居的柯爾家，克羅託再次想起那個玩具，猶豫着是否要給妻子打個電話，讓她數一數那個星穹上是否剛好有60個頂點。柯爾勸他不要攪醒夫人的好夢，此時英國那邊剛剛黎明，再説哪裏會有這麼巧的事情。

出席晚餐的另一位結構化學家希思（James R. Heath）和妻子也沒閒着，在回家途中的一家雜貨鋪裏，他們買了一袋小熊膠糖和牙籤，回到家就迫不及待地搭起模型來：用小熊代表碳原子、牙籤代表鏈接鍵，先擺出一個與石墨基本結構類似的六邊形，然後努力嘗試搭出一個封閉結構來，但是無論如何都無濟於事。

斯莫利動手能力最強，回到家裏先在計算機前忙乎了一陣，仍然一籌莫展。之後他乾脆拿出筆、紙、剪刀和膠水，做起兒童手工來。他先剪出一些全等的正六邊形，然後邊對邊地粘合起來，試圖拼出一個封閉的球狀結構，最終他意識到這是不可能的。此時午夜已過，斯莫利卻越發沒有睡意。他從冰箱裏掏出一瓶啤酒，杯酒下肚後突然想起克羅託説的玩具模型來——對，為什麼不試一下五邊形？他又製作了一堆同樣邊長的正五邊形，重新忙乎起來。他從一個五邊形開始，在其每條邊上粘上一個六邊形，這個紙質的結構很容易地向上彎曲成一個碗狀。此時斯莫利受到鼓舞，隱約感覺這種組合是可以重複的。接着他在碗形結構的邊緣間隔地添加了5個五邊形和5個六邊形，從而形成一個半球狀的東西。然後他繼續添加更多的五邊形和六邊形，並始終保持着每個五邊形的周圍有五個六邊形的模式，最終拼出了一個近似球體的完美多面體結構來。數一數共有12個正五邊形和20個正六邊形。沒錯，這應該就是C60的結構！

第二天早上，斯莫利帶上他的傑作前往大學，在路上用電話通知所有的團隊成員到辦公室來。當他把那個熬夜拼接成的紙球扔到咖啡桌上的時候，所有人都驚呆了。克羅託確認自己家中的星穹模型就是這個模樣，行事謹慎的柯爾開始檢驗模型上的每個碳原子是否滿足成鍵條件，最終大家一致認定這就是他們要找的一種全新的碳分子結構。

左：斯莫利的紙製C60模型，克羅託和柯爾在上面貼了標籤表示雙鍵，以檢驗是否每個碳原子都滿足成鍵條件。右：位於上萬公里以外的克羅託家中存放的多面體星穹教具，後來發現與斯莫利的模型一模一樣。

如此完美對稱的東西數學家不會不知道，斯莫利想到應該給數學系主任維科打個電話，在描述了這個模型的構造之後，電話那邊傳來維科的祝賀。他可能是位老先生，接着又不忘補充道：“孩子們，你們所發現的，就是一個足球啊！”其實如果早一些請教數學家，這些化學家們可能會少走點彎路，因為根據多面體的歐拉公式，完全由六邊形組成的凸多面體是不存在的。[附：如果能夠再找到一位懂行的數學史家，對方可能還會告訴他們：由兩（或三）種全等正多邊形圍成的多面體叫做半正多面體，據説古希臘阿基米德就已發現共有13種不同的半正多面體（猶如柏拉圖或他的學派知道共有5種不同的正多面體一樣），所以被稱作“阿基米德多面體”（Archimedean polyhedra）。C60的結構也是一種阿基米德體。]

一經點破，眾人哭笑不得。是的，一個現代足球就是由20塊（白色）六邊形和12塊（黑色）五邊形球皮縫製而成，它正好有60個頂點。希思興沖沖地跑到附近的體育商店抱回一個真正的足球，説來也巧，這一天恰好是他的生日。經過一番討論，眾人決定採納克羅託的建議，將這種新分子命名為“富勒烯”（Fullerene），因為美國建築師富勒（Buckminster Fuller）關於網格穹頂的設計方案曾為他們的討論提供了靈感。

富勒為1967 年蒙特利爾世界博覽會美國館設計的穹頂

1996年，克羅託、柯爾和斯莫利由於富勒烯的發現榮獲諾貝爾化學獎。他們的貢獻不止是發現了足球狀富勒烯C60的存在並確定了它的結構，而是開啓了一個“球狀化學結構”研究的全新方向。C60只是龐大的富勒烯家族中的一種，越來越多的富勒烯被發現或在實驗室裏製造出來，富勒烯及其衍生物在超導、納米材料、“大碳結構”設計、病毒學中獲得了廣泛應用，對於宇宙演化理論也提供了有力的支持。

從左至右：克羅託、柯爾、斯莫利

1985年11月《自然》雜誌封面，報導柯爾、克羅託與斯莫利發現了C60結構富勒烯

所有這些，都是《完美的對稱》（巴戈特著，李濤、曹志良譯，海科技教育出版社）一書中講述的故事。

本文原載於《南方週末》2018年8月30日，經作者授權發表於《返樸》，略有改動。

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