别人许诺给你的那张方格
如果你以前读过任何关于固体的东西，多半已经见过这个故事的主角：[[crystal|晶体]]。在晶体里，原子以一种令人惊叹的纪律堆叠着。随便挑一个原子，看看它的邻居，再走到一千排开外的另一个原子，重新看一眼——排布一模一样。整块固体就是一种图案无尽地重复，像一张永远不出错的墙纸。盐、金刚石、铜、冰：都是晶体。正是这种完美的重复，构成了物理学家所说的有序，也正是它，让晶体如此美妙地易于理解。
可大自然从没签约要做个整洁的人。看看你窗户上的玻璃、手机壳的塑料、放硬了的糖、火山吐出来的那种叫黑曜石的石头。它们无疑都是固体——能保持形状，你没法把它们倒出来——可内部，原子却是一团被冻住的杂乱，根本没有任何重复的方格。它们是从没学会那张墙纸图案的固体。整齐与杂乱之间的这种对照，是整个材料科学中最深刻的主题之一，它有自己的名字：[[order-and-disorder|有序与无序]]。
无序到底是什么意思
这里有个值得早早避开的陷阱。[[disorder|无序]]并不是指彻底的混沌那种随机——原子被胡乱抛得到处都是、毫无共同之处。玻璃里的原子，照样讨厌彼此重叠，照样和最近的邻居保持着一个大致固定的距离，照样以它们在晶体里会用的方式成键。如果你放大去看任意一个原子和它身边那一小撮最近的同伴，玻璃和晶体看上去几乎一模一样。区别只在你退后一步时才显现。
物理学家给这两种尺度的有序各起了名字。每个原子附近，有短程有序——邻居处在合理的距离上、键张着合理的角度——而几乎每一种固体，无论晶体还是玻璃，都有这个。晶体另外还有、而玻璃没有的，是长程有序：那种图案忠实地横跨整块材料重复下去的保证，于是知道一个角落，就能告诉你远处一个角落的模样。在这条学习线里，无序几乎总是指：长程有序消失了，而短程有序还在。这一句话，就是接下来一切的钥匙。
被冻住的液体：非晶固体
一种有短程有序、却没有长程有序的固体，有个正式的名字：[[amorphous-solid|非晶固体]]。“非晶”（amorphous）来自希腊语的“没有形状”——是说没有内在的形状，也就是没有重复的骨架。最有名的非晶固体是普通的[[glass|玻璃]]，但这个家族非常庞大：大多数塑料、橡胶、沥青、硬糖、凝固的凝胶，甚至一些被快速冷却的金属。
这是整本讲里最令人意外的一个事实，而它是真的：从结构上说，玻璃是一种卡住了的[[liquid|液体]]。在液体里，原子同样有短程有序、没有长程有序——它们挤着邻居，却不成方格——和玻璃一模一样。唯一的区别是，液体里的原子不停地互相错身、流动，而玻璃里的原子，则被冻在了错身错到一半的姿势上，挤得太紧，再也无法重新排布。晶体是仔细堆叠出来的；玻璃则是一张液体的快照，在它来得及把自己整理成晶体之前，就被逮住、捏成了僵硬的形状。
液体怎么会忘了结晶
液体为什么会冻成杂乱的玻璃，而不是井然的晶体？因为搭一座晶体需要时间。液体冷却时，每个原子都得在邻居把它锁死之前，找到自己在方格上被分配到的位置——这是一场缓慢而挑剔的协商。如果你温和地冷却，原子有时间排进队列，你就得到晶体。但如果你冷得快，或者分子又大又笨、形状难以对齐，原子就没时间了。它们就在自己碰巧站着的地方僵住。方格从未形成。你就造出了一块玻璃。
- 从一锅热液体开始：原子挤着邻居，却能自由地从彼此身旁滑过。
- 把它冷却。原子慢了下来，每一个都得决定在哪儿安顿。
- 冷得慢，它们就排上方格——晶体形成。
- 冷得太快，它们就在错身到一半时卡死，方格永远没搭起来——玻璃形成。
而玻璃并非真正地、永恒地安定了下来。只要给足时间，那些被困住的原子能朝着更整齐的排布挪动一个小到无法想象的量，慢慢卸掉当初被仓促冻住时留下的应力。这种迟缓而耐心的安顿，叫作[[structural-relaxation|结构弛豫]]，在大多数玻璃里它慢到在一整个人的一生中都看不见。玻璃在深处是不安分的——它宁愿做晶体——但它几乎永远到不了那里。这份安静的“不甘”，正是下一讲的心跳。
为什么无序值得一整条学习线
你也许会怀疑，无序固体是不是只是“缺了好部分的晶体”——是真正物理学之外一个可悲的附带念头。它们不是。拿掉方格，并不会减去行为；它反而添上了一整个崭新的行为世界。本会在晶体里自由飞驰的电子，会被无序俘获。本会整整齐齐排好的磁体，会被抛进无望的混乱。会冒出既非晶体、亦非随机的新图案。这团乱不是故事里的瑕疵——这团乱本身就是故事。
还有一个朴素的实际理由：无序物质无处不在。你正用来读这段话的屏幕、把它传遍世界的光纤、你身边每一件物品里的塑料、你鞋上的橡胶——绝大多数都是非晶的。完美晶体才是那个稀有、被娇宠的例外，物理学之所以爱它，是因为它好对付。真实的世界，是壮丽地、固执地杂乱的。学习无序，就是学习这个世界本来的样子。