無序、玻璃與局域化

玻璃

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想象在一個寒冷的日子裡倒蜂蜜。天越冷,它流得越是遲緩,直到從實用角度看完全不流了——可它從不像糖那樣啪地結成整齊的晶體。它只是卡住了。玻璃就是這樣被凍成固體的物質:冷得太快,或太不願結晶,於是在仍處於無序、類液體的排佈時就凝住了。

玻璃是「非晶固體」的日常叫法,它由液體冷卻而成,冷過了能流動的臨界點,卻沒讓它結晶。隨著溫度下降,原子動得越來越慢;若它們沒時間找到整齊的晶體格子,就會被困在一團凍結的混亂裡。結果是像固體一樣堅硬而脆,卻帶著液體那種凌亂、不重複的原子排佈。普通窗玻璃是最熟悉的例子,但金屬、塑料,甚至鹽的混合物,都能做成玻璃。

玻璃之所以重要,是因為它給了我們窗戶、鏡片、光纖,以及無數材料——它們的無序是優點而非缺陷,無序讓它們透明、各向同性、可塑形。有一個頑固的傳言值得糾正:老窗玻璃並不是幾個世紀裡在「往下流」。古董玻璃下沿更厚,源於當年的製造方式,而不是玻璃在室溫下表現得像一種緩慢的液體。

對著一片熔化的玻璃吹氣,把它拉成比頭髮還細的絲,你就有了一根光纖——互聯網的脊樑。光沿著這根玻璃絲飛奔,一路彈射,跑上幾公里幾乎毫無損耗。它之所以管用,正是因為玻璃無序卻均勻:沒有晶粒、沒有邊界來散射光,一束光便能在它內部走上驚人的距離。

光纖是一根細如髮絲的玻璃絲;它均勻的無序讓光走上幾公里也不被散射掉。

在物理裡,「玻璃」不只是窗戶上那玩意。這個詞指任何被凍進無序、卡住狀態的系統——磁性自旋能形成自旋玻璃,這個泛指的概念涵蓋了許多不結晶就凝固的材料。窗玻璃只是一個大得多的家族裡最為人熟知的成員。

又稱
vitreous solid玻璃态