玻谲璃奇的物理学：十亿年尺度上的液体_风闻

关于玻璃，流传着这样一种说法：如果你去一座有数百年历史的教堂，观察那儿的玻璃窗，你会发现窗户底部的玻璃比顶部的更厚一些，原因是玻璃本质上是液体，只不过流动得太过缓慢而已。

这个说法虚实结合、成分复杂。

一方面，有些玻璃窗的确是底部比顶部更厚，但那是由制造工艺导致的。中世纪的窗户通常采用“皇冠工艺”制作：玻璃先被吹成空心球体，接着压平，然后旋转成扁平圆盘，最后圆盘被切割用作玻璃窗。由于圆盘中心较厚，边缘较薄，故切割得到的窗玻璃会有顶底厚度不均的情况。

另一方面，从某种意义上说，玻璃的确在“流动”，的确具备一些类似液体的特性，但几百年光景不足以使窗玻璃发生形变。2017年，科学家发表论文指出，教堂的窗玻璃能在10亿年时间里流动1纳米。（一张纸的厚度约为100000纳米。）

编译 | 桨笃绘

剑桥大学理论物理学家卡米尔·斯卡利特（Camille Scalliet）说道：“玻璃违背了我们对液体、固体和气体的简单分类。科学家要解决的问题不是‘玻璃为什么会流动’，而是‘它为什么会是固体’。”

世界各地的学者都在探索玻璃的秘密，尝试给这种最常见材料下一个更完美定义。对玻璃的深刻理解可以告诉我们，它在数十亿年里如何变化，最终形态如何，也可以帮我们判断，玻璃的某些形态能否被视为一种新的物质状态。

更吸引人之处在于，当我们足够了解玻璃，就能开始创造尚不存在的材料——更坚固、更柔韧、拥有神奇特性的玻璃！

停住的“舞厅”

从微观层面看，所有物质都由原子或分子组成。温度会改变微观粒子的排列方式，低温使它们趋于凝固，高温让它们更活泛。

液体中的分子非常无序，它们快速、无规则地游走，排列随机，就好像舞厅里的众人，充满活力地相互移动、碰撞、摩擦，每一时刻的相对位置都不一样。

固体的状态全然不同。通常我们将晶体视作标准的固体，而晶体的分子/原子呈结构化、有规则的排列，就像音乐会上的观众，每个人都坐在固定席位上，不会相对移动，只会在座上做些振动。当温度冷却时，原子和分子以规则的几何图案排列。只有温度达到熔点，座位的限定才被解除，固态转变为液态。

玻璃不是液体，也绝非晶体，虽然名义上算固体，但实质上兼具固体和液体的特性。

关于玻璃如何形成的最简单解释是，它本是一种液体，因冷却得太快，无法形成晶体，故分子被锁定在混乱的液体状排列之中。哈佛大学物理学家大卫·韦茨（David Weitz）这样解释道：

这就好比，舞厅里的众人原本都充满动能，可是由于某种原因，一部分人决定停止移动，那么此时你要想在拥挤且停滞的人群中移动是非常困难的。于是你停住不动了，你身边的甲和乙因为你不动，也就放弃了动的念头，甲乙身边的丙丁、戊己、庚辛都停下了……整个舞厅的人都停了下来。每个人被锁定在原地，但并不以有规则的方式排列，而是一团乱麻。这便是玻璃的状态，移动1纳米需要10亿年的玻璃的状态。

通俗地说，玻璃本质上就是被定住的液体；用科学术语表达，就是“无定形固体”（amorphous solid）。

很多材料都是无定形固体，表现得像玻璃。塑料是无定形固体，琥珀之类的天然材料亦然，细胞的某些部分也被认为类似玻璃，甚至根据韦茨说法，生奶油这样的泡沫也可以被描述为玻璃状材料。

韦茨表示：“找出各种‘玻璃’的通用机制，是真正的挑战，也是这门科学的美妙之处。”

完美的无序

如果你在某一瞬间拍下玻璃和液体的分子结构，二者看起来没区别，但一个是流动的，另一个是定住的，为什么呢？

斯卡利特表示：“目前有不同理论可解释为什么玻璃不会流动，但没有一个得到普遍认同。”

各种理论解释都牵涉热力学知识及其相关的大量数学公式。科学家正寻找更深层次的秩序，能够解释玻璃为什么具备硬质特性（而不是像塑料或橡胶那样的无定形固体）的本质原理。正如我们可以将食盐的硬质特性归因于它的晶体结构，我们肯定也可以把玻璃的特色归因于某个尚未明确的机制。

韦茨表示：“许多玻璃理论都试图理解分子的集体行动，理解它如何聚集在一起、相互影响。玻璃的系统内有大量原子和分子，它太复杂了，难以拆解分析。”

用斯卡利特的话说，对于结晶固体，你只需查看其简单的晶体结构，知道分子/原子的排列方式，就可预测其各种特性，例如如何吸收热量，又例如哪里最容易断裂，但玻璃有无限种分子排列方式，不存在通用的底层结构，因此我们无法预测玻璃的特性。

想了解它的断裂过程，就要亲手打碎它；想知道它的吸热能力，就要给它加加热；想制造某款新型玻璃，必须先反复试验。缺少完整的理论，也让科学家难以定义玻璃的本质。

斯卡利特表示，液体和玻璃之间没有明确界限。假如人类对时间流逝的感知是以十亿年为单位的，那么我们眼中的玻璃就可以算液体，因为我们能观察到它微弱的流动。有一种可能是，经过足够长的时间，玻璃最终会结晶成标准的晶体。从这个角度来看，玻璃是正在逐渐转变成晶体的液体。

威斯康星大学麦迪逊分校化学教授马克·埃迪格（Mark Ediger）指出了另一种可能性：玻璃不会结晶，而是逐渐接近“完美无序”的状态。

怎么个完美法呢？

“假设你有许多不同尺寸和形状的盒子，想把它们全装进货车后车厢里，但空间非常有限，你有且只有一种摆放方式来让所有盒子刚好装满车厢，换其他任何一种分布方式，都无法塞进全部，那么这种分布便是‘完美的无序’。”

理想的玻璃

埃迪格表示，达到完美无序的玻璃会是“理想”玻璃。“它的理想之处在于，分子集合（或者说组装）到一起的方式达到了最致密的水平。若想让它们聚集得更紧密，就要变晶体结构了。理想玻璃代表了物质的一个全新状态。”

当然，没人确定理想玻璃是否真存在，更遑论制造和应用了。埃迪格做了一些实验，尝试创制尽可能理想的玻璃，一次只将一个分子装到材料中。但他发现，越接近理想玻璃，装分子过程所需的时间就越长。

来自一亿多年前的琥珀碎片，现在进化到更“理想”状态了吗。有人研究过这个问题，但尚未找到答案。

关于“不够理想”的玻璃，其坚硬程度在一定程度上可通过“它接近完全无序的程度”来衡量。

如前文所述，玻璃越接近理想状态，其分子聚集的紧密程度越接近极限，重新组装的能力也就越差，重新组装所需时间越长。根据埃迪格的说法，需要很长时间来让自己“动起来”的系统是“僵硬的”（stiff），或者说，坚硬的。

深入理解玻璃本质，有助于科学家预测玻璃的特性，设计更优异的玻璃。斯卡利特说道：“如果你了解物理特性如何从特定的无序结构中产生，你就能创建新材料，例如可弯曲、不易裂的手机屏幕，又例如可长时间存储核废料的玻璃。”

本文作者布莱恩·雷斯尼克（Brian Resnick）是 Vox的高级记者，致力于报道社会和行为科学、太空、医学、环境等方面的内容。他曾挖掘月球上人类排泄物的天体生物学影响，也曾聚焦科学机构的结构性问题。新冠大流行初期，雷斯尼克发表了多篇澄清科学事实的文章，帮助读者设定对未来几年的期望。

资料来源

https://www.vox.com/the-highlight/23850787/what-is-glass-scientific-mystery

本文经授权转载自微信公众号“世界科学”。

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