別人許諾給你的那張方格
如果你以前讀過任何關於固體的東西，多半已經見過這個故事的主角：[[crystal|晶體]]。在晶體裡，原子以一種令人驚嘆的紀律堆疊著。隨便挑一個原子，看看它的鄰居，再走到一千排開外的另一個原子，重新看一眼——排布一模一樣。整塊固體就是一種圖案無盡地重複，像一張永遠不出錯的牆紙。鹽、金剛石、銅、冰：都是晶體。正是這種完美的重複，構成了物理學家所說的有序，也正是它，讓晶體如此美妙地易於理解。
可大自然從沒簽約要做個整潔的人。看看你窗戶上的玻璃、手機殼的塑料、放硬了的糖、火山吐出來的那種叫黑曜石的石頭。它們無疑都是固體——能保持形狀，你沒法把它們倒出來——可內部，原子卻是一團被凍住的雜亂，根本沒有任何重複的方格。它們是從沒學會那張牆紙圖案的固體。整齊與雜亂之間的這種對照，是整個材料科學中最深刻的主題之一，它有自己的名字：[[order-and-disorder|有序與無序]]。
無序到底是什麼意思
這裡有個值得早早避開的陷阱。[[disorder|無序]]並不是指徹底的混沌那種隨機——原子被胡亂拋得到處都是、毫無共同之處。玻璃裡的原子，照樣討厭彼此重疊，照樣和最近的鄰居保持著一個大致固定的距離，照樣以它們在晶體裡會用的方式成鍵。如果你放大去看任意一個原子和它身邊那一小撮最近的同伴，玻璃和晶體看上去幾乎一模一樣。區別只在你退後一步時才顯現。
物理學家給這兩種尺度的有序各起了名字。每個原子附近，有短程有序——鄰居處在合理的距離上、鍵張著合理的角度——而幾乎每一種固體，無論晶體還是玻璃，都有這個。晶體另外還有、而玻璃沒有的，是長程有序：那種圖案忠實地橫跨整塊材料重複下去的保證，於是知道一個角落，就能告訴你遠處一個角落的模樣。在這條學習線裡，無序幾乎總是指：長程有序消失了，而短程有序還在。這一句話，就是接下來一切的鑰匙。
被凍住的液體：非晶固體
一種有短程有序、卻沒有長程有序的固體，有個正式的名字：[[amorphous-solid|非晶固體]]。「非晶」（amorphous）來自希臘語的「沒有形狀」——是說沒有內在的形狀，也就是沒有重複的骨架。最有名的非晶固體是普通的[[glass|玻璃]]，但這個家族非常龐大：大多數塑料、橡膠、瀝青、硬糖、凝固的凝膠，甚至一些被快速冷卻的金屬。
這是整本講裡最令人意外的一個事實，而它是真的：從結構上說，玻璃是一種卡住了的[[liquid|液體]]。在液體裡，原子同樣有短程有序、沒有長程有序——它們擠著鄰居，卻不成方格——和玻璃一模一樣。唯一的區別是，液體裡的原子不停地互相錯身、流動，而玻璃裡的原子，則被凍在了錯身錯到一半的姿勢上，擠得太緊，再也無法重新排布。晶體是仔細堆疊出來的；玻璃則是一張液體的快照，在它來得及把自己整理成晶體之前，就被逮住、捏成了僵硬的形狀。
液體怎麼會忘了結晶
液體為什麼會凍成雜亂的玻璃，而不是井然的晶體？因為搭一座晶體需要時間。液體冷卻時，每個原子都得在鄰居把它鎖死之前，找到自己在方格上被分配到的位置——這是一場緩慢而挑剔的協商。如果你溫和地冷卻，原子有時間排進隊列，你就得到晶體。但如果你冷得快，或者分子又大又笨、形狀難以對齊，原子就沒時間了。它們就在自己碰巧站著的地方僵住。方格從未形成。你就造出了一塊玻璃。
- 從一鍋熱液體開始：原子擠著鄰居，卻能自由地從彼此身旁滑過。
- 把它冷卻。原子慢了下來，每一個都得決定在哪兒安頓。
- 冷得慢，它們就排上方格——晶體形成。
- 冷得太快，它們就在錯身到一半時卡死，方格永遠沒搭起來——玻璃形成。
而玻璃並非真正地、永恆地安定了下來。只要給足時間，那些被困住的原子能朝著更整齊的排布挪動一個小到無法想像的量，慢慢卸掉當初被倉促凍住時留下的應力。這種遲緩而耐心的安頓，叫作[[structural-relaxation|結構弛豫]]，在大多數玻璃裡它慢到在一整個人的一生中都看不見。玻璃在深處是不安分的——它寧願做晶體——但它幾乎永遠到不了那裡。這份安靜的「不甘」，正是下一講的心跳。
為什麼無序值得一整條學習線
你也許會懷疑，無序固體是不是只是「缺了好部分的晶體」——是真正物理學之外一個可悲的附帶念頭。它們不是。拿掉方格，並不會減去行為；它反而添上了一整個嶄新的行為世界。本會在晶體裡自由飛馳的電子，會被無序俘獲。本會整整齊齊排好的磁體，會被拋進無望的混亂。會冒出既非晶體、亦非隨機的新圖案。這團亂不是故事裡的瑕疵——這團亂本身就是故事。
還有一個樸素的實際理由：無序物質無處不在。你正用來讀這段話的螢幕、把它傳遍世界的光纖、你身邊每一件物品裡的塑料、你鞋上的橡膠——絕大多數都是非晶的。完美晶體才是那個稀有、被嬌寵的例外，物理學之所以愛它，是因為它好對付。真實的世界，是壯麗地、固執地雜亂的。學習無序，就是學習這個世界本來的樣子。