汪衛華，中國科學院物理研究所研究員，廣東松山湖材料實驗室主任。中國科學院院士，發展中國傢科學院院士，美國物理學會會士，長期從事非晶物質和材料的基礎及應用基礎研究，在國際著名期刊上發表 學術論文300多篇。相關研究成果曾多次獲得國傢自然科學獎、國傢科技進步獎、國傢發明獎、周培源物理獎、國傢創新爭先獎，國際亞穩材料領域的傑出科學傢獎等。

物理學傢利奧 · 西拉德對他的朋友說他準備寫書：“我隻是想記下事實，供上帝參考。”

朋友問：“難道上帝不知道這些事實？”

“知道，”西拉德說，“他知道這些事實，可他不知道這樣描述的事實。”

——漢斯 · 克裡斯琴 · 馮 · 拜耳《征服原子》

常說人生如戲，非晶物質的研究和發展也可比作一臺戲，其主角就是非晶物質。和很多重要的角色一樣，它有多個名字，又叫無定形物質，也叫玻璃，凍結的液體，等等。這臺戲的演員還有很多，他們是為非晶物質科學做出傑出貢獻的科學傢、工程師、企業傢和研究生。本書中非晶物質的配角是晶體、液體、氣體、準晶、高熵物質，還有原子、分子、原子團簇及非晶物質的近親——過冷液體，等等。

本書將在這個廣袤、深邃的空間和時間大舞臺上展現非晶物質的本質、形成、演化和運動、結構、特性、規律、衰變、穩定性、相互作用、應用、定位和歷史，以及與社會、文化、科學之間關系的故事。天高地迥，覺宇宙之無窮；興盡悲來，識盈虛之有數。希望你能從浩渺的時間和空間去探究、認識和體驗非晶物質。

這本書有著強烈的作者風格與特色。

第一個特色是科普性。本書希望能讓剛剛進入該領域的研究生或者非本專業的科研人員快速瞭解非晶物質科學領域中的基本概念、科學問題及研究意義、發展歷程、非晶材料的應用、最新的進展和發展前景。所以，本書試圖用科普的語言，希望盡量能擺脫古板的專業術語，結合研究歷史和故事來圍爐夜話非晶物質科學的昨天、今天和明天。本書盡量避免繁難和冗長的數學公式推導，而是重在基本概念，科學思想和思路，重要性質和特征，本領域裡程碑式的重要工作及其科學意義的論述，重在重要理論和方法的描述、解釋，理解實驗事實，盡量用易於理解的語言來表達出重要觀念、概念、思想、模型、理論、成果，以及這些成果自身的優美和重要性、來龍去脈、缺陷、存在的問題及關於它們的爭論和質疑。書中還試圖將迄今隻存在於專業文獻中的思想、思路、重要方法、概念細致通俗地介紹出來，但又不失其精髓。本書力求做到深入淺出，采用一些淺顯易懂的比喻來幫助理解重要的概念和理論。在科學著作中，生動的比喻不僅能幫助我們理解問題和知識，更能為創造力的思維火花、深邃的概念和理論添加燃料。戴森在《從愛神到蓋婭》一書的序言中說：“我所有的作品，其目的都是打開一扇窗，讓高居科學廟堂之內的專傢望一望外面的世界，讓身處學術象牙塔之外的普通大眾瞄一瞄裡面的天地。”本書也希望能使這些枯燥、專業、很容易被扼殺在少數專傢手裡的非晶物質科學知識獲得一些人性的光輝，讓更多的人感興趣，能欣賞非晶物質的作用、奧秘和美。

天然非晶石英

非晶物質的百年研究，尤其是近年來的快速發展，產生瞭大量的數據、材料、現象、模型、概念、信息、問題、爭論、文章、專利和應用。這使得人們，特別是初學者很容易淹沒在這些繁縟的細節信息和知識中，急需簡單的框架將大量的細節知識組織起來，給出一個總體的圖像。所以，本書的第二個特色是試圖給出非晶物質科學知識、研究的前沿和狀況的全貌和框架。從事科學研究需要盡早知道研究領域的全貌。不瞭解全貌，就難以選擇合適的課題，做出重要的科研工作。本書試圖做到，隻要學過大學基本物理和材料知識的學生，看完本書就可以大致地瞭解非晶物質科學研究領域的基本圖像和問題，就有能力去閱讀和理解當前發表在《科學》(Science)、《自然》(Nature)、《物理評論》系列、Adv. Mater.等一流科學雜志上的關於非晶物質方面的前沿研究工作。當然你或許不能懂得其中的每個細節，但是你能得到一個研究概觀，理解其工作的意義和重要性，能夠從中探尋到有意義的成果和重要的研究方向、問題。

俗話說隔行如隔山。現代科學的飛速發展，使得領域分得很細，每個領域的專業知識、語言、概念差別很大。非晶物質科學的發展也帶來很多分支，如非晶態物理、非晶材料、玻璃、軟物質、顆粒物質、非晶高分子化學及生物學。學科細分帶來的語言、概念、觀點和興趣上的差別，使得各學科分支之間似乎有些脫節。科研上，可以得到最大收獲的領域是各種已經建立起來的學科之間的被忽視的無人區。正是這些科學的邊緣區域，給有修養的研究者提供瞭豐富的機會。學科交叉使得每一個簡單的概念和問題可以得到不同角度的解釋、研究和理解，因此，本書第三個特色是希望在非晶物質各分支學科之間架起橋梁，註意它和不同學科的交融和聯系。註重非晶物質學科和不同學科的交叉和融合，使得從事其他不同專業的研究者也可從本書中獲得啟迪。

a6fc28e26d34f78fa99ebd5ffaf42f5b丹麥地下現代非晶玻璃藝術館

作者曾參加過Santa Barbara卡弗裡理論物理研究所的一個為期3個月的“非晶物理前沿問題”研討班。該研究所是一個現代科學烏托邦和物理聖地。所裡固定人員很少，多是客座人員。不論是客座研究員，還是終身教授，大傢不需要向誰負責、向誰匯報。不同學者可以到此養精蓄銳，既沒有工作壓力，又沒有日常瑣事。客座研究員研究結束時，甚至連一份工作總結都不用寫，直接收拾行囊，交還研究所的茶杯，然後離開這座知識的伊甸園。Santa Barbara卡弗裡理論物理研究所的真正鼻祖和精神導師是古希臘哲學傢柏拉圖。柏拉圖在雅典城郊創辦瞭世界上第一所高等研修院——柏拉圖學園。學園吸引瞭學者、研究者及各派理論傢咸集於此，探究世界的奧秘，闡釋萬物之理，將平常的所見所聞概括為一個由抽象概念和原則構成的集合。Santa Barbara卡弗裡理論物理研究所繼承瞭柏拉圖的衣缽，吸引瞭世界各地不同領域的科學傢聚集於此，不制造產品，不做實驗，終極目標就是要思考和明晰自然和物質的本質，僅此而已。這次非晶物理前沿問題研討班的學者不僅有物理學傢、材料學傢和非晶學者，還有地質學傢、生物學傢、化學傢、數學傢和工程師等，這些不同領域的人聚集在美麗的太平洋之濱的Santa Barbara，相互學習和討論。參加這次研討會的多是成就卓著的科學傢，經典論文甚至課本裡的很多東西就是他們親自做出來或者提出來的。他們能把每個我們在書本裡見到的科學發現和成果講得像歷史故事一樣引人入勝，會讓人覺得原來做科學這麼有意思！通過討論、溝通，大傢發現這些不同學科的差別和如此激動人心的研討相比，就顯得無關緊要瞭。雖然各個學科都有實驗和理論方面浩繁的專業知識細節、不同的概念和專業術語，但是，如果你追根求源就會發現，這些知識河流的源頭其實都是一些簡單、普遍的原理，而且它們都是來自同一個源泉。也就是說隻要具備很少的一些原理，我們就有能力去理解大量的不同的前沿研究。

卡弗裡理論物理研究所

第四個特色是在每個章節都列出相關的重要科學問題，並給出與之關聯的物理思想要點和討論。蘇格拉底說過：隻用眼睛看的人是瞎子。希望讀者能帶著自己的問題、思考和批判來閱讀本書的每一章節。本書還註重討論本領域一些重要理論、模型和觀點的局限性，註重展示和評論這個正在快速發展領域的各種觀點的碰撞，希望以此來拓展讀者的批判和質疑能力。特別希望能對提高學生提出和凝練科學問題的能力有所幫助，能引起他們對非晶物質科學基本問題的更多的討論、質疑和批判。知識是可以拓展和懷疑的，也是用來超越的。一個充滿問題和爭議的領域才是有活力的領域。作者在Santa Barbara卡弗裡理論物理研究所研討會期間，看見來自世界各地的科學傢在各自的辦公室研讀文獻，討論、爭論問題，很多時候，晚上11點瞭，討論和爭論還在進行，那種淡定從容、簡單執著讓人感動。教科書裡那些高貴冷艷的知識原來就是身邊的這些貌似隨和的老先生和老太太這樣創造的。正是這些不同領域科學傢的參與，這些不同學科之間的交叉和張力，各種盲人摸象式的觀點的爭論，使得科研探索工作卓有成效。同時，這也是科學研究的魅力所在。

在北京，我們組織瞭一個非晶物質科學的沙龍，參加者大都是北京一些高校和研究所的青年科學傢，大傢每月一次聚在中國科學院物理研究所D樓圓桌會議室討論。每次沙龍中的一員，或者是一位邀請來的客人，介紹他人或自己有意思的結果、想法或者觀點。交流是活潑的、毫無拘束的，這裡不是一處任何人可能擺架子的地方，報告人必須經受一通尖銳批評的夾擊，批評是善意但是毫不客氣的。這些沙龍的常客都感到瞭這種方式的意義，這個沙龍實際上對非晶物質科學在國內的發展起到一定的作用。本書也想傳遞這種非晶沙龍精神，註意介紹非晶領域不同觀點的爭論和碰撞。瞭解相對年輕的非晶科學的不同理論、概念和觀點是非常必要的，因為科學研究是一個積累的過程，科學的成就都是在前人、別人的工作基礎上才有所突破的，對待別人和前人的工作，應該是尊重和批判相結合。科研成果隻有經過科學界同行的批評、吸收、發展，才能經得起時間的考驗。相信非晶領域的未來一定屬於那些對不同觀點和思路都駕輕就熟的人。

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第五個特色是介紹瞭很多模型、理論和重要結果的發展、發現的過程和歷史。目的是想還原一些重要新非晶材料的發現，理論和成果的產生的來龍去脈，展示和還原許多本領域大傢熟知的科學傢和大師們是如何面對群山一般的困難，開山架橋，為我們開辟瞭可以前進的道路，使得非晶物質研究發展到今天的。同時，希望讀者能認識到非晶物質領域的工作和成果大多不是什麼天才的工作，而是具有耐心的平凡人通過艱苦努力、持續的工作做出的傑出成就。其實，任何一項科研成果和發現何嘗不是如此，都是對科學傢意志和耐心的巨大考驗。希望讀者通過對這些艱辛努力和歷程的瞭解，能為這個正在發展的領域感嘆和激動，提高他們的信心和興趣，並能吸引更多的優秀年輕人加入到這個富有挑戰性的交叉研究領域。希望非晶物質科學能成為各種各樣的人都可以涉足的王國，並希望傳遞給年輕讀者這樣的信息：在這個領域裡，如果他們能做到，你也能！實際上，我們學習的過程就是在回顧科學史的創造，當我們進瞭實驗室，自己就變成瞭知識的創造者、科學史的建設者。我們追求的目標應該是發現非晶物質世界的奧秘，在非晶物質科學研究史上留下自己的印跡。

非晶金屬塑料在開水中壓印成的中國科學院物理研究所的所徽圖案，直徑為 20 mm

第六個特色是從不同的視角來看非晶物質。非晶學科的發展需要新的、更寬的視角。除瞭從結構和動力學等傳統的角度來描述和認識非晶物質，本書還試圖從熵、能量、時間、序、維度等視角來認識非晶物質。我們知道有序和無序是自然界普遍存在的兩種對立統一狀態，這兩種狀態可以相互轉化，並且兩種狀態之間存在一個臨界點，在其臨界點附近有豐富有趣的臨界現象。例如，玻璃轉變，鐵磁材料從順磁態到鐵磁態的轉變，物質從無序到有序的轉變，超導體從正常態到超導態的轉變，水以及許多液體材料的臨界點的液態-氣態共存，生物體中DNA的折疊、病毒的傳播，人工智能體系的計算，都存在著有序和無序的相變和臨界現象。非晶物質是受熵或者序控制的亞穩材料，是熵和能量競爭的產物，與時間、無序、不穩定、隨機性和復雜性密切關聯。傳統固體物理則強調穩定、有序、線性、均勻和平衡，在封閉系統中，小的輸入總是產生微擾。非晶物質研究會帶來新的更接近現實世界的物質世界觀，如無序、亞穩、非均勻、非平衡、非線性，對時間高度敏感，微擾造成大的變化等。非晶物質作為獨特的常規物質態，其研究需要新視角、范式、概念、理論和新思想，需要新的物質觀。當然這些想法和視角並不一定成熟或正確，或許是面臨困境的研究者給自己壯膽的口哨。但是為之付出的努力是值得的，這些新的視角或許能為理解非晶物質的本質提供新的啟發。

6c09a0e96e3e11e607a3c352e76b2fac物質中能量、無序、熵的關系，它們之間的競爭導致非晶態的形成

第七個特色是提供瞭很多最新的實驗和模擬的數據和結果。這些實驗數據不一定很漂亮，但是這些真實的、前沿的東西能幫助你瞭解最新進展，還原重要結果的發現過程，拓展你的批判能力。有些理論、模型不像教科書和報告中聽到並相信的那樣好用，有些經驗模型雖然簡單，但卻能很好地解釋現象，支持很強的結論。這些能幫助你訓練從大量數據中發現線索、鑒別重要結果的能力。

第八個特色是反思，即對自己幾十年從事非晶研究工作的反思。北京是研究非晶物質科學最佳的地方之一。作者曾與國際同行在北京郊外十渡山中漫步，邊走邊聊非晶物質的結構、形變和斷裂問題。那高懸的瀑佈，被層層巖石截成一段段，猶如鋸齒般的流動(類似非晶物質中的鋸齒流變)；巖石中隨處可見裂縫(crack)和剪切帶(shear bands)；奇特地貌山體的形成類似於非晶物質流變的結果；時而碰上狹窄的山路和擁堵的人群(jamming，阻塞效應)，類似玻璃轉變效應；周圍的花魚鳥蟲、草木山石都是非晶物質，讓人感覺仿佛置身於非晶世界中。這位科學傢說：我們是在活的非晶世界中徜徉。遺憾的是在非晶物質和材料科學歷史戲臺上，曾經輝煌的主流理論和成果少有是源自中國的貢獻，各種非晶新材料的發明很少出自中國的貢獻。在這臺戲中，我們中國學者以前隻是在臺下的觀眾，在更早的時候，我們甚至隻是離戲臺很遠地方的觀眾。非晶戲臺以前一直沒有我們中國學者站立的地方。通過半個世紀的努力，一部分中國學者拿到瞭可以去非晶場劇的門票，但是舞臺上的“請保持安靜”標語，依然讓作為觀眾的我們感到憋屈。今天是我們要準備登上戲臺的時候瞭。中國的科技經濟能力，已經可以支撐我們去思考、研究重大的非晶物質科學問題，進行最前沿的探索。因此，要反思我們在非晶大戲中的角色、行為和責任，革除以前以跟蹤性研究為主的習慣，摒棄以為國外主流學者抬轎子為榮的思路，努力探索原創性的理論、材料、方法、技術和應用。另外，在信息時代，計算機技術高速發展，計算模擬已經成為和實驗、理論並列的科學發現三大途徑之一；網絡的發展和電子期刊的出現，使得研究結果的發表、資料獲取更加快捷；同時，各學科和領域也都在快速發展，不斷融合交叉，新的實驗表征手段及新的理論、方法不斷湧現；非晶物質研究成果也大量湧現，並在不斷和其他學科交叉拓展。這同時帶來深刻的問題，非晶物質科學下一步如何發展？尋求引領非晶科學和技術發展的“羅盤”是當務之急，到瞭對目前非晶研究方向、方式、問題、范式冷靜反思、再評價和評估的時候瞭。