玻璃在我们的生活中应该是非常熟悉的。但如果有人突然问起你：玻璃是固体还是液体呢？相信很多人都会认真且严肃地回答：“玻璃当然是固体了”。但事实真是这样吗？让我们一起去探究一下，以后就可以给别人讲解了！

尽管在我们的眼中，玻璃一直呈现固体的特征“能打碎，很硬”，但从微观的角度去观察，就会发现它的奥妙。

如果我们通过高倍显微镜对玻璃进行观察后就会发现，即使是处于类似固体的状态，玻璃的原子结构也是杂乱的，它混乱程度与液体几乎没有什么区别，而这种原子结构也就意味着玻璃是可以流动的，只不过流动的速度极其缓慢。

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！

1、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。”

2、玻璃竟然有记忆

玻璃具有记忆效应，它可以记录下它所经历过的温度变化和应力变化。这种记忆效应可以通过测量玻璃的弛豫时间和关联函数来表征。弛豫时间是指玻璃从一个状态恢复到平衡状态所需要的时间，关联函数是指玻璃内部原子密度的相关性。这两个量都会随着温度降低而急剧增加，表明玻璃越来越难以弛豫和关联。

这意味着玻璃可以记住它的历史，它的性质取决于它是如何制造和处理的。例如，如果你把一个玻璃杯放在冰箱里，然后拿出来，它会比放在室温下的玻璃杯更硬，更脆，更容易碎。这是因为冰箱里的玻璃杯没有足够的时间来弛豫和适应新的温度，而保持了之前的状态。

玻璃具有动力学异质性，它内部存在着不同运动速度和能量的区域。这些区域可以用动力学局域化长度来描述，它反映了玻璃内部原子运动的空间范围。动力学局域化长度会随着温度降低而增大，表明玻璃越来越接近于一个刚性体。

这意味着玻璃并不是一个均匀的物质，它有着复杂和多样的微观结构。在玻璃中，有些原子比其他原子更容易移动，有些区域比其他区域更活跃。这些差异会影响玻璃的宏观性质，例如光学、电学和机械性能。

玻璃具有构型熵佯谬，它指的是当温度降低到某个临界值时，玻璃的构型熵会消失。构型熵是指玻璃内部原子可以拥有的不同排列方式所对应的信息量。如果构型熵消失了，那么意味着玻璃只有一种唯一的排列方式，就像晶体一样。但这与玻璃无序的本质相悖。这个佯谬还没有被完全解决。

这意味着玻璃存在着一个极限温度，低于这个温度，玻璃将失去其无定形固体的特征，并变成一种新的物质状态。但这个温度非常低，远远低于我们能够实现和测量的范围。因此，我们还不知道这个极限温度是否真的存在，以及它对应的物质状态是什么样子。

通过以上内容，我们可以看到，玻璃是一种非常奇异的物质，它有着许多令人惊讶的科学性质。玻璃既像液体又像固体，既有记忆又有老化，既有异质性又有佯谬。玻璃给我们提出了许多挑战和问题，也给我们展示了许多奥秘和美丽。

文章来源： 世界科学，康康睡觉了，情面兽八戒