汪卫华：我为什么写《非晶物质》？｜曹则贤品读_风闻

编者按

近日，科学出版社出版了汪卫华院士著《非晶物质》一书，这让我感到大为惊讶。惊讶的原因是多重的。其一，这本书洋洋洒洒三卷1400多页，三卷本同时推出，就著作出版而言，殊非易事。其二，这样三卷本的鸿篇巨制竟然真的是汪卫华院士一字一句码出来的。我不是说他没这个水平。就阐述非晶物质这个主题而言，还真非他莫属。我惊讶的是以他的身份，整天要开各个层级的会，要指导各个方面、各条战线上的工作，当然还得打牌，他哪来的写书时间？我一个一天25小时闲暇时间的科技打工人也写不出这样厚重的学术著作，想来令人汗颜。我猜测我 (们) 打牌是把打牌当作正经工作认真对待的，而他打牌是用来调剂做学问时绷紧了的神经的。如此看来，他打牌时常常走神算是合理的举止了。第三，汪卫华院士构思撰写这样的巨著用时十年有余，我们作为同事却都没听到一点风声。不过，这第三点倒是与汪卫华院士的性格相符，他非常自律，未做成的事情不愿多说。这一点和我用以怂恿年轻人的观点正好相反。我主张事儿未做成前先弄它个满城风雨，这样因为不好意思只得去努力说不定还能多少有所成就。汪卫华院士还有个朋友比我更极端，据他自己说他连领诺奖那天要穿的燕尾服都订购好几套了。这位朋友和我一样，都为汪卫华院士的大作出版感到骄傲，也都表示要认真读一读，虽然我们可能都读不懂。

是得严肃地说说怎么读这本书的事儿了。这本书名为《非晶物质》，初看来是关于凝聚态物理一个比较偏僻的领域的专著，许多人会以为跟自己无关。这个结论有点儿着急。如果我们知道晶体是物质存在中的偶然，因为有序而变得格外无趣 (对物质科学多不了解的人才会误以为金刚石有价值)，而非晶态才是固体物质的常态，它因为接近有序的无序而呈现给我们一个具有无限可能性的世界，我们就会觉得这会是一本补齐我们知识短板的急缺的著作。此外，这本书的文笔和插图都非常有趣，这可能泄露了作者不苟言笑的外表下的诗人情怀 (这样的书里肯定是有诗词和诗意的，我跟你赌十块钱的)。电影演员姜文曾有诗句云：“勤能补拙不补骚”, 有学问的书或许常有，但有诗意的学问书却极罕见。

顺带说一句，人年纪大了，渐渐地就有点儿迷信了。我曾说过，一个人的成就，也许很久很久以前就种下了前因，有先辈们预先做了持久的铺垫。杨振宁先生名字中的“宁” 字据说取自安徽怀宁县，杨振宁先生幼时其父老杨先生在那里教中学。怀宁县挨着桐城，桐城文风自古极盛。明代桐城人方以智著有《物理小识 (1643年), 那可能是历史上第一本中文物理书籍。 汪卫华院士是在安徽宁国的一个叫水晶坞的地方出生长大的。典型的非晶材料，玻璃，在古代即被称为水晶。不知道是否因了这个缘故，汪卫华院士在研究非晶物质时比别人多了一份独特的情愫从而支持了他的坚持？

36年前，安徽合肥，中国科学技术大学西区，在凝聚态物理的课堂上俺有幸第一次一睹汪卫华同学的风采。36年后的今天，汪卫华同学又推出了三卷本的煌煌巨著《非晶物质》掩盖了他自己的风采，怎不让人妒忌？算了，不说啦，咱们都上自习去吧。

——曹则贤，2023.07.12 于物理所

撰文 | 汪卫华（中国科学院院士、松山湖材料实验室主任）

我在1987年春做本科毕业论文的时候开始进入非晶物理和材料这个领域。此后，硕士、博士、博士后都是从事非晶材料和物理研究。1998年在中国科学院物理研究所组建自己的非晶研究团队，开始独立的非晶物质研究。一眨眼，已经在非晶世界学习、工作三十多年了。对只有百年研究历史的非晶科学领域，作者算得上是一名老兵。小时候听人说某种职业需要5年、8年甚至10年的专业学习和工作经验，总是感到很惊讶：什么东西还需要这么长时间的学习和经验？在学习、尝试研究非晶的硕士、博士阶段，也时常觉得非晶研究做够了，没什么可做了。后来现实教育了我，10年、20年甚至30年不算长，学习、研究非晶已经变成我一生的日常，一生的修炼，一生的事业。本人的成长年代与新型非晶物质——非晶合金的研究和发展几乎同在一个时期，本人的职业生涯也只和非晶研究相关。典型非晶材料玻璃，在中国古代又叫“水晶”。机缘巧合，作者出生、长大的地方是安徽宁国市一个叫水晶坞的地方。古人提倡“荷道以躬，舆之以言”，即一边努力做事，一边写文章，介绍自己的经验和智慧。父母在世的时候，经常问我的一句话是：“你读了这么多年的书，怎么没有写出一本书来？”这让我很不堪。读了几十年书，研究非晶物质几十年，确实欠了很多文债。书籍是一位学者给社会、同行的回馈方式，是人类传承知识和经验的必然环节。Edward Bulwer Lytton说过：“Laws die, books never.”如果能通过一本书来记录非晶物质学科的发展历史和成果，留下这一代非晶人曾经的所思、所想、所做，为非晶物质知识的江河贡献点滴，也是一种贡献和慈悲。秀才人情书一本，借写书来表达对非晶科学和非晶材料探索做出重大贡献的、默默无闻贡献的、熟悉和不熟悉的同行致以深深的谢意，也算完成了我个人的一个夙愿，因为是他们给我们建立了安身立命的非晶科学大厦，给我们带来了知识、收获、智慧和深刻的快乐。

对非晶物质科学的热爱也是推动我写作本书的动力。物质是什么？这是人类永恒的课题。这个问题在历史上很早就被提及，很多先哲、科学家思考和研究过这个问题。随着科学的发展，“物质是什么”这个问题曾被无数次提及，并激发了人类对自然探索的兴趣，也成为科学的最高使命之一。对物质是什么的回答也在不断地进步，但答案一直没有令人满意过。丰富多彩的非晶物质占自然界常规物质的很大部分，我们环顾四周，看到的大多是非晶态物质，正如本书要全面论述的，非晶物质可以视为完全不同于晶体固态、液态和气态的常规物质的第四态。“非晶物质本质是什么”是“物质是什么”这个问题的核心内容之一，也是凝聚态物理乃至科学的难题之一，激发了几代科学家为之竞折腰。目前对物质的研究还没超越两千年前人们最初追问物质是什么时的基本思路——还原论，即将物质不断地拆解，直至追根溯源到那恒定不变的、第一性的“基本粒子”。对非晶物质研究的主线也是试图遵循这个基本思路：从微观结构来理解其特性和本质。非晶物质的研究已经跋涉了接近一个世纪，我们对“非晶物质是什么”这个问题有了更多的见解。但是越向前接近真相，就越发觉悟到我们了解的非晶物质不过是物质汪洋中泛起的一朵浪花，茫茫无涯的物质世界里没有厘清的问题和奥秘还有很多很多。人类，也不过是自然造物，原子的聚合形成的非晶体系而已，最神奇的是这个非晶体系却有能力去认识非晶物质体系，甚至能理解、改造我们的宇宙，发现至理。其中无穷奥秘值得我们为之穷生奋斗。为了探寻非晶物质的奥秘，值得做一个勇敢的非晶世界的旅行者，向着未来航行。未来是否繁花似锦，源自我们当下之努力。本书也是这种努力的微小部分。本书将结合非晶物质科学的最新进展，对非晶物质本质问题展开较全面的讨论，希望能起到抛砖引玉的作用，吸引更多的人进入这个领域，为这个领域的发展做贡献。

常规物质的四种状态

相比气态和固态物质，非晶物质更加复杂、多样性。自然界中这些物质的存在往往被科学家绕开，被大众忽视，回避从大自然提出的问题和挑战。这激励着我们去探索和研究那些被晶体固体物理搁置在一边，被认为是“无定形”的物质，去把非晶物质和材料在人类发展历史上的杰出表现、影响和故事讲出来。非晶领域科学家T. Egami曾说过：“非晶领域是一个还没有教科书的领域，有抱负的年轻人应该积极投身到还没有教科书的研究领域中去。”诺奖获得者P. G. de Gennes也说过“在成熟的理论框架下研究纯粹是浪费纳税人的钱”。非晶物质科学是值得年轻人努力的领域，因此，写本书的一个重要目的是，希望能引起大家尤其是年轻学生对非晶物质科学研究的兴趣。

非晶物质在玻璃转变附近的状态 (引自密歇根大学的 Jim Erickson)

写本书的另一个更实际的目的是，让刚刚进入该领域的研究生或者非本专业的科研人员更快地了解非晶物质科学领域中的基本概念、各类理论、科学问题、发展历程、应用价值、最新的进展和发展前景，也试图对非晶物理和材料的研究和进展进行一些梳理，希望整理出主线和主要进展，能给正在从事非晶物质研究的人勾画研究的全貌、现状和前景，为对非晶物质感兴趣的人提供了解的快速途径。费曼 (Richard P. Feynman) 曾说过：“我所讲的这些并不是想帮助你们去复习考试，也不能帮助你们解决工业和军事上的问题，我是想告诉你们，物理是如何看待世界，同时从物理的角度看世界又是多么奇妙。”希望本书能帮你了解非晶物质世界的奇妙，欣赏非晶物质世界的美丽风景。

非晶物质学科发展得很快，非晶材料的应用也很广泛，大量关于非晶材料的新体系和关于非晶物质的数据、现象和细节被报道，还提出了很多模型、理论、猜想。初学者很容易被淹没在这些细节和海量数据中。虽然非晶物质研究发展很快，关于非晶物理和材料的中文书籍却很少，非晶物理和材料的专业教材也不多。很多研究生开始进实验室做研究，找课题，急需尽早了解非晶物质领域的历史、科学问题、概况和全貌，非晶物理和材料与其他学科的关系和联系，以及非晶材料的应用背景。本书以论述非晶物质是独立于气体、液体、晶体(固体)的第四类常规物质为主线，系统全面地介绍了非晶物质的方方面面，尽量不过多涉及专业的概念、实验、理论和计算的浩繁的知识细节，更注重讨论更普遍的原理、知识及联系，因为这些普遍的原理、知识有着共同的物理源泉。更专业的概念、实验、计算技巧和细节则留待将来更专业的书籍进行介绍。阅读本书的研究生将会及早知道非晶物理和材料领域的概貌，便于阅读专业杂志上的文章，寻找合适的课题和方向。

(a) 常见的非晶物质：上面依次是火山玻璃、琥珀、天然橡胶；下面依次是塑料、普通玻璃、非晶合金[41]。(b)左上是原子非晶(非晶合金)的原子力显微镜像；右上是胶体玻璃结构；左下是非晶泡沫体系；右下是非晶颗粒体系

即使不是从事非晶领域的研究生、科研人员，在科研工作中有时也需要对非晶物质科学知识有所了解。本书期望能给愿意扩大知识面的其他领域的研究生展示一个容易理解的非晶物理和材料的图像，介绍非晶物质学科和其他学科的密切联系，特别系统地介绍非晶合金 (又称液态金属，或金属玻璃) 这个非晶材料领域的新家族的进展和应用，因此具有一定的参考价值。

铈基非晶金属塑料在开水中压印成的中国科学院物理研究所的所徽图案，直径为 20 mm

作者曾听说一个故事，一位照管海岛灯塔的人，由于孤独的长夜无事可做，就专门在书中寻找错误。在本书写作过程中，作者常常会想到类似这样的传奇人物，还有很多同行、同事可能会读这本书，始终觉得有三个“人”会一直在背后观望：第一位是非晶领域的外行，所以本书尽全力把复杂、艰涩的非晶专业知识通俗化，要做到这点很难，希望能做到不失其精髓和思想；第二位是同行，同行之间是苛刻的，因此作者尽力做到细心地揣摩他们的意见和看法，尽力做到严谨，希望减少他们的微词；第三位是将从外行转内行的学生，他们读这本书的目的是希望能尽快了解学科全貌和前沿，以及学科关键科学和技术问题，所以本书力求把非晶物质学科当作一个整体来介绍，希望做到趣味性和学术性并存，帮助他们尽快了解非晶物质及对人类社会的重要作用，引发思考，激发兴趣和激情，并使他们尽快从外行变成内行。

本书写作的过程非常艰辛，写写停停，写了删，删了再写，时而觉得很有信心，时而觉得很沮丧和焦虑，难以为继。写作过程中的种种纠结和折磨不亚于科研中的磨难，有时还更甚，其中滋味唯作者自知：写书真是一场个人意志的修行，是对一个人意志力的考验。但是写书也有很多好处，写书是最好的学习过程，为了写清楚，需要查阅大量书籍和国内外相关资料。一本书写得是否用心，看看它列出的参考文献数量和质量就能判断得差不多了。写书最大的益处就是能让人忘记现实生活中很多烦恼。相信每个喜欢写作的人多少会有这样的感觉：每当你开始写作，就会进入忘我的境界，在写作过程中，内心充满宁静和喜悦。在那个空间可以摆脱一切束缚，享受自己的世界。现实再残酷，只要有写作的欲望、动力和能力，就可以微笑面对一切。每一个愿意写作的人，都有一个属于自己的精彩世界。写书更是一个人的思想狂欢。深夜时分文如泉涌的曼妙，半夜梦中灵感激发的兴奋，凌晨披衣而起诉于文字的欣喜，都是一种美妙的回馈和恩赐。金圣叹评《水浒传》的序言在某种程度上也表达了一个作者的心情。该序言写到：是《水浒传》七十一卷，则吾友散后，灯下戏墨为多；风雨甚，无人来之时半之。然而经营于心，久而成习，不必伸纸执笔，然后发挥。盖薄莫篱落之下，五更卧被之中，垂首拈带，睇目观物之际，皆有所遇矣。或若问：言既已未尝集为一书，云何独有此传？则岂非此传成之无名，不成无损，一；心闲试弄，舒卷自恣，二；无贤无愚，无不能读，三；文章得失，小不足悔，四也。呜呼哀哉！吾生有涯，吾呜乎知后人之读吾书者谓何？但取今日以示吾友，吾友读之而乐，斯亦足耳。且未知吾之后身读之谓何，亦未知吾之后身得读此书者乎？吾又安所用其眷念哉！

作者经历了非晶物质科学发展的起伏跌宕的时期，本书也是作者在非晶物质研究一个很激动人心的时代中的旅程的记录，一些感受、经验、体验和喜悦的分享，同时，也是一个参与者记下的非晶发展历史。作为一位非晶“老兵”，作者愿意作为导游，和读者一起到非晶物质领域一游，给你讲述非晶物质研究是如何导致新概念、新理论、新思想和新材料，以及新物质观的产生，讲述非晶物质中一些重要问题的解决是如何给凝聚态物理和新材料之梦插上飞翔的翅膀的，是如何改变人类社会和文明的。在本书写作过程中，作者也经历了很多震撼人心的感悟和激动，希望通过本书能够把这种激动和感悟传递给读者。不期待有很多人读它，只要有几个人喜欢它就知足了，因为这是为志同道合者而写的书。

爱因斯坦认为世界是简单、有序和和谐的。但是自然界的至美往往存在于她所呈现的复杂的一面，自然界的序往往存在于表面上纷繁杂乱的无序之中。复杂的生命体就是自然界造就的最复杂也是最美、最成功的一类物质。非晶物质是一种常见但复杂、多样而又神奇和有用的物质，其中不仅隐藏着很多深刻而有趣的科学问题和规律，也有美和序等待人们去发现、认识和利用。发现某种“序”或“秩序”的愿望，是一种强大的动力。所有物理和天文专业的学生今天都会学习开普勒的行星运动三大定律，但是开普勒为揭示这些定律而付出的近乎狂热的长年努力，遭受的艰辛和痛苦常被人们忽略。他之所以能坚持几十年辛苦工作，从中寻找规律，是因为他坚信太阳系的行星每天的位置隐藏着神秘的序和壮美。希望非晶物质中隐藏的序和美也能激发有才能的年轻人去为之奋斗，懂得欣赏非晶物质中那些司空见惯的“无序”和“缺陷”，也便懂得了非晶物质的美和序。非晶物质研究史就是从混乱和无序中寻求规律和秩序，在纷繁和复杂中发现简单和美的历史。

松山湖材料实验室新园区

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