本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
玻璃是像水晶一樣堅硬的東西，但卻像液體一樣由無序的分子組成。為了了解它存在的原因，研究人員正試圖創造一種完美的、仍處於假設狀態的「理想玻璃」。
米格爾·拉莫斯舉起一塊琥珀化石。經過1.1億年的沉澱，琥珀被認為接近於理想的玻璃狀態，在那裡分子以最密集的隨機排列排列在一起。2008年，米格爾·拉莫斯在報紙上讀到，距他居住的馬德裡幾小時車程的地方發現了1.1億年前的琥珀，裡面有原始的中生代昆蟲。作為一位專門研究玻璃的物理學家，拉莫斯多年來一直想要得到古代的琥珀。他聯繫了在現場工作的古生物學家，他們邀請他參觀。
在接下來的幾年裡，拉莫斯斷斷續續地研究古代玻璃的尺寸。他希望，經過這麼長時間的老化，石化的樹脂可能會接近一種被稱為理想玻璃的假想物質。
幾十年來，物理學家一直夢想著這種完美的無定形固體。他們渴望理想的玻璃，不是因為它本身(儘管它有獨特、有用的特性)，而是因為它的存在將解開一個深奧的謎。每扇窗戶、每一面鏡子、每一塊塑料、每一塊硬糖，甚至每一個細胞的細胞質，都構成了一個謎。所有這些材料在技術上都是玻璃，因為玻璃是任何固體和剛性的東西，但由無序分子組成，就像那些在液體中。玻璃是一種處於假死狀態的液體，這種液體的分子奇怪地不能流動。理想的玻璃，如果它存在的話，會告訴我們為什麼。
拉莫斯實驗室裡的琥珀樣本很不方便的是，理想的玻璃需要很長時間才能形成，因此在整個宇宙歷史上可能都不會形成。物理學家只能尋找間接的證據，證明在無限的時間內它會形成。拉莫斯是馬德裡自治大學的實驗物理學家，他希望經過1.1億年的老化，西班牙的琥珀可能已經開始展現出完美的光芒。如果是這樣，他就能知道普通玻璃中的分子在什麼都不做的情況下到底在做什麼。
拉莫斯的琥珀尺寸是人們對理想玻璃興趣激增的一部分。在過去的幾年裡，製造玻璃和在電腦上模擬玻璃的新方法取得了意想不到的進展。關於理想玻璃的性質及其與普通玻璃的聯繫，已經出現了一些重要的線索。「這些研究為理想玻璃態存在的假設提供了新的支持，」蒙彼利埃大學物理學家盧多維奇·貝蒂埃說。
但是，只有我們留下一個證據，理想玻璃的新興前景才有意義。
玻璃的悖論
這兩種情況中的哪一種取決於過程的實質和微妙之處，這是玻璃吹制工經過幾千年的反覆試驗才學會的。「避免結晶是一種黑暗的藝術，」英國布里斯托大學的玻璃物理學家說。
這兩種選擇差別很大。
結晶是一個戲劇性的轉變，從分子無序和自由流動的液相，到分子以一種有規律的、重複的模式被鎖住的結晶相。例如，水在0攝氏度時凍結成冰，因為在這個溫度下，水分子停止晃動，剛好能感受到彼此的力量。
其他液體冷卻後更容易變成玻璃。例如，二氧化矽——窗戶玻璃——一開始是1000攝氏度以上的熔融液體；當它冷卻時，它無序的分子會輕微收縮，稍微靠得更近，這使得液體越來越黏稠。最終，分子完全停止移動。在這種逐漸的玻璃化轉變中，分子不會重新組織。他們只是慢慢地停下來。
冷卻液變硬的確切原因尚不清楚。如果玻璃中的分子只是因為太冷而不能流動，仍然有可能把它們壓成新的排列。但玻璃不會壓扁；它混亂的分子確實是剛性的，儘管看起來和液體中的分子一樣。「液體和玻璃具有相同的結構，但表現不同，」劍橋大學玻璃理論家卡米爾·斯卡利特說。「關鍵是要理解這一點。」
1948年，一位名叫沃爾特·考茲曼的年輕化學家注意到了後來被稱為「熵危機」的現象，這是一條線索。後來，研究人員意識到，理想的玻璃可以解決這個似是而非的問題。
考茲曼知道，冷卻液體的速度越慢，就越能在它轉變成玻璃之前冷卻它。而較慢形成的玻璃最終密度更大、更穩定，因為它的分子需要更長的時間來移動(而液體仍然是黏性的)，並找到更緊密、能量更低的排列。測量結果表明，相對於較慢形成的玻璃，其熵值或無序度也相應降低了——同樣低能量的玻璃分子排列方式更少了。
根據這一趨勢，考茲曼意識到，如果冷卻液體的速度足夠慢，那麼在它完全硬化之前，就可以一直冷卻到現在被稱為考茲曼溫度的溫度。在那樣的溫度下，得到的玻璃的熵將和晶體的熵一樣低。但晶體是整齊有序的結構。按照定義是無序的玻璃，它的階數怎麼可能相等呢？
普通的玻璃是做不到這一點的，這意味著在考茲曼溫度下一定會發生一些特別的事情。如果一種液體在達到那個溫度時達到理想的玻璃狀態，即分子密度最大的隨機堆積，那麼危機就可以避免。這種狀態會表現出「長程無定形秩序」，即每個分子都感覺並影響其他分子的位置，因此為了移動，它們必須作為一個整體移動。這種假定狀態的隱藏的長期順序可以與晶體的更明顯的順序相媲美。威斯康星大學麥迪遜分校的化學物理學家馬克·埃迪格說，「這個發現就是人們認為應該存在理想玻璃的核心原因。」
根據朱利安·吉布斯和埃德蒙·迪馬齊奧於1958年首次提出的這一理論，理想玻璃是一種真實的物質相，類似於液體和晶體相。轉變到這個階段需要太長的時間，需要太慢的冷卻過程，科學家們從來沒有看到過。紐約大學的凝聚態物理學家丹尼爾·斯坦說，理想的玻璃態轉變被「掩蓋」了，因為液體變得「非常黏稠，所有東西都被阻擋住了」。
斯坦說：「這有點像在黑暗中透過玻璃看東西。」「我們無法達到(理想的玻璃)或看到它。但理論上我們可以嘗試建立精確的模型來模擬。」
一個新的玻璃
通過冷卻液體來形成理想的玻璃是沒有任何希望的，人類已經使用了幾千年的玻璃製造方法。你必須以極慢的速度冷卻一種液體——也許是無限慢的速度——來防止它在達到考茲曼溫度之前硬化。但在2007年，威斯康星州物理學家埃迪格發明了一種製造玻璃的新方法。他說：「我們發現了另一種方法，通過一種完全不同的途徑來製造高密度地、接近理想狀態的玻璃。」
埃迪格和他的團隊發現，他們可以創造出一種介於普通和理想之間的「超穩定玻璃」。他們使用了一種叫做氣相沉積的方法，將分子一個接一個地滴到表面上，就像玩俄羅斯方塊遊戲一樣，讓每個分子在下一個分子下來之前，都能緊緊地貼在正在成型的玻璃上。最終得到的玻璃比人類歷史上所有的玻璃密度更大，更穩定，熵值更低。埃迪格說：「如果你把一種液體冷卻100萬年，這些材料就會具有你所期望的特性。」
超穩定玻璃的另一個特性將最終揭示出通往理想玻璃的最有希望的路線圖。
2014年，由馬德裡的米格爾拉莫斯領導的兩個小組發現了這種特性，當時他們發現，超穩定玻璃偏離了所有普通玻璃的普遍特性。
蒸汽沉積玻璃的不同性能取決於它產生時的溫度。在這個樣本中，研究人員保持了整個樣本的溫度梯度，這導致了彩虹效應。超穩玻璃朝向樣品的中間。幾十年來，物理學家們已經知道，超冷玻璃有很高的熱容，即提高其溫度所需的熱量。玻璃的吸熱能力比接近絕對零度的晶體要大得多，因為玻璃的吸熱能力與溫度成正比。
包括備受尊敬的諾貝爾獎得主、凝聚態物理學家菲爾安德森在內的理論家在上世紀70年代初提出了一種解釋。他們認為，玻璃包含許多「兩級系統」，即原子或分子的小簇，它們可以在兩種同樣穩定的可選配置之間來回滑動。「你可以想像一大堆原子從一種構型轉變成一種非常微小的不同構型，」加州大學伯克利分校的弗朗西絲·赫爾曼說，「但在晶體材料中不存在這種構型。」
雖然原子或分子被它們的鄰居束縛得太緊，不能自己做太多的轉換，但在室溫下，熱量激活了兩能級系統，為原子提供了它們移動所需的能量。隨著玻璃溫度的下降，這種活動逐漸減弱。但在接近絕對零度的情況下，量子效應變得非常重要：玻璃中的原子群可以通過量子力學的方式在兩種不同的構型之間「穿梭」，直接穿過任何障礙物，甚至可以同時佔據兩層體系中的兩層。該隧道吸收了大量的熱量，產生了玻璃特有的高熱容量。
在埃迪格找到製造超穩定玻璃的方法幾年後，位於伯克利的海爾曼小組和位於馬德裡的拉莫斯小組分別著手研究玻璃是否會偏離接近絕對零度的普遍熱容。在他們各自的實驗中，他們研究了超穩定矽和超穩定吲哚美辛(一種也被用作消炎藥的化學物質)的低溫特性。果不其然，他們發現這兩種杯子的熱容都比通常情況下的絕對零度要低得多，與晶體的熱容相當。這表明，超穩定玻璃有更少的兩層系統之間的隧道。這些分子的結構特別舒適，幾乎沒有競爭對手。
拉莫斯將琥珀冷卻到接近絕對零度的溫度，以測試它接近理想玻璃狀態的程度。如果超穩定玻璃的極低熱容量確實來自較少的兩能級體系，那麼理想玻璃自然對應於完全沒有兩能級體系的狀態。它以某種方式完美地排列在所有原子無序的地方——它沒有晶體結構——但卻沒有任何移動。」
此外，在這種狀態下，每個分子都會影響其他所有分子的位置，這可能是導致液體硬化成我們周圍的玻璃的原因。
在這幅新出現的圖中，當液體變成玻璃時，它實際上是在試圖過渡到理想的玻璃狀態，這是由一種向長期有序的基本引力所牽引的。理想的玻璃是端點，羅亞爾說，但是當分子試圖聚集在一起時，它們就會被粘住;不斷增加的粘度使系統無法達到期望的狀態。
最近，開創性的計算機模擬被用來測試這些想法。在計算機上模擬超穩定的玻璃在過去是不可行的，因為模擬的分子聚集在一起需要大量的計算時間。然而，兩年前，貝蒂埃發現了一個竅門，讓他把這個過程的速度提高了1萬億倍。他的算法隨機選擇兩個粒子並交換它們的位置。這些震動可以幫助模擬的液體保持不粘住，讓分子變得更舒適——就像在俄羅斯方塊中交換兩個不合適的形狀的能力會有所幫助一樣。
在一篇即將發表在《物理評論快報》上的論文中，貝爾蒂埃、斯卡利特、雷切曼和兩位合著者報告稱，模擬玻璃越穩定，它擁有的兩層系統就越少。與海爾曼和拉莫斯的熱容量測量結果一樣，計算機模擬表明，兩級系統——分子組相互競爭的構型——是玻璃熵的來源。這些可選狀態越少，無定形固體的穩定性和長期秩序就越好，也就越接近理想狀態。
休斯頓大學的瓦西裡·盧布琴科和萊斯大學的彼得·沃萊恩斯早在2007年就提出，理想的玻璃不應該有兩層體系。「我對貝蒂埃的結果很滿意，」沃爾內斯在電子郵件中說。
琥珀色的異常
拉莫斯和他的合作者在2014年的《物理評論快報》上發表了他們對舊的和「復活」的黃色玻璃樣品的比較。他們發現，距今1.1億年的琥珀的密度增加了約2%，與超穩定玻璃的密度一致。這應該表明琥珀確實隨著時間的推移而穩定下來，因為小群分子一個接一個地滑入低能量的排列中。
但當馬德裡團隊將這種古老的玻璃冷卻到接近絕對零度並測量它的熱容時，結果卻告訴我們一個不同的故事。老琥珀的熱容與新琥珀和所有其他普通玻璃一樣高。它的分子似乎像往常一樣在許多兩能級體系之間穿隧。
為什麼隨著時間的推移，兩級系統的數量沒有下降，琥珀色穩定下來，變得更密集？這些發現並不相符。
研究人員計劃在琥珀、實驗室製造的和模擬的玻璃上做進一步的實驗，希望能發現更多二級系統的細節，並更接近假定的理想狀態。可能永遠無法完全確定地證明它的存在。也許有一天，我們會知道，至少在電腦上，如何精確地包裝粒子，使之成為我們正在尋找的理想玻璃，但我們將不得不等待很長時間才能看到它是否保持穩定。