一种泄露秘密的形状
拿起一粒普通的食盐，放在放大镜下看一看。它是一个小小的立方体——不是一团粗糙的疙瘩，而是一个有着平整侧面和利落直角的小盒子。没有人去雕琢它。它是自己长成这样的，从在阳光下蒸干的海水里长出来。一块石英晶体、一颗钻石、一片雪花、一粒砂糖：每一样都展现出同样的神奇之处——平整的刻面，以锋利而可重复的角度彼此交汇。这就是整篇指南要讲的线索。一块石头上的平整刻面是一种证据，而它所证明的，是在原子尺度上隐藏着的秩序。
下面是人们在能看见原子之前几个世纪就做出的飞跃。他们推断：你无法靠随便堆叠东西得到一个完美平整的表面。把沙子堆成一堆，你得到的是一个圆鼓鼓的小丘，永远不会是干净的平面。大自然之所以能凭自己、一遍又一遍地造出平整的刻面和固定的角度，唯一的可能是：它内部的搭建砖块本身就是以一种规则、重复的方式码放的——就像板条箱里的橙子，或墙上的砖。外在的形状，不过是内在的图案透了出来。
有序与无序
为了真切体会这里的“有序”到底是什么意思，想象你缩小到一个原子那么大，站在材料内部。在晶体里，你可以朝任何方向望去，都会看到原子排成笔直、间距均匀的行列，一直延伸到远处，就像人工栽种的果园里一行行的树。往前走十步，眼前的景象和你出发时一模一样。这就是晶体的决定性特征，它有个名字：长程有序。这种图案不只在你近旁的邻居之间成立；它在数以百万计、千万计的原子之间始终如一。
现在设想相反的情形。在熔融石英玻璃里，同样的原子——硅和氧——是杂乱无章的。每个原子仍然和它紧邻的邻居规规矩矩地成键，但往外走几步，方向就开始游移，间距开始漂移，根本没有一个宏大的重复蓝图。玻璃就是一团液体的混乱被冻结下来的快照。这就是无序：近处整齐，却没有长程的图案。石英晶体和一块玻璃的区别，不在于它们由什么构成——两者都是二氧化硅——而在于那些原子是否就一种共享的、重复的排列达成了一致，还是从未达成。
三维空间里的墙纸
想象晶体最干净利落的办法，是把它想成有图案的墙纸。一卷墙纸上有一个小小的母题——比方说一朵花——而整张纸就是这一朵花，被复制、粘贴，以规则的间距横着、竖着铺开。要描述整面墙，你不必把每一朵花都列出来。你只需要两样东西：一朵花的图样，以及那些副本该摆在哪里的规则（向右多少厘米，向上多少厘米）。其余的一切都随之而来。
晶体正是这个想法，外加两处升级。第一，它生活在三维之中，而不是一面平墙上，所以副本要朝左右、前后、上下三个方向行进。第二，那个“母题”是由原子构成的。晶体学家把这套描述拆成和墙纸完全一样的两部分，并各给一个名字。那套告诉你副本该摆在*哪里*的、规则重复的点的集合，叫作晶格——一副看不见的、完美规则的位置脚手架，就像墙纸上的花朵所挂着的那张钉子网格。而坐落在这些点上的那个原子，或那一组原子，也就是真正的“花朵”，叫作基元。
crystal = lattice + basis lattice : WHERE the motif repeats (a regular grid of points) basis : WHAT sits at each point (one atom, or a small group) like: wallpaper = pin-grid + one flower
能铺满整片地板的最小一块砖
正因为图案是重复的，你永远不必去描述整块晶体。你只需要描述一个小块——那块重复的砖——然后说一句“现在把它朝每个方向复制下去”。这块最小的重复单元有一个你将一再遇到的名字：晶胞。想想给浴室地板铺砖。一块砖，成千上万地压制出来、一块挨一块地铺开，就盖住了极大的一片面积，可你需要设计的，自始至终只有那一块砖。晶胞就是晶体的那一块砖，把它的副本无缝、无重叠地堆叠起来，就重建出整块固体。
晶胞通常是一个小盒子，它各条棱的长度是真实、可测量的距离。这个棱长叫作晶格常数，对大多数日常晶体而言它小得惊人——只有零点几纳米，也就是说，你得把大约两百万个这样的盒子排成一行，才能横跨一根头发丝的宽度。这个微小的数字，是整个材料科学中被测量得最多的量之一，因为一旦你知道了那个重复盒子的大小、形状，以及里头坐着什么，你就把这块晶体彻底摸清了。
而这正是整个想法那份不动声色的威力。一颗指甲盖大小的盐晶体，含有大约一千亿亿亿个原子。你绝不可能把它们全都写下来。但你不必这么做。寥寥几个数字——盒子的大小、它各角的夹角，以及里头那几个原子——就把全部捕捉住了。晶体那无尽的重复，并不是描述上的负担；它是一份馈赠，因为重复意味着，一个极小的描述就能干完一个大到无法想象的描述所要干的活。
原子为什么肯排好队
还剩一个公道的问题：原子为什么会去做这件事？为什么乖乖排队，而不是随便摊开？答案是，原子之间通过原子间作用力相互拉扯、推搡——离得稍远时彼此吸引，被挤得太近时则坚决拒绝重叠。对任何一对原子来说，都存在一个特定的间距，在那里这场拔河达到平衡，能量最低。原子，就像水往低处流一样，总是朝它们够得着的、能量最低的排布安顿下来。
现在把这种偏好叠加到数不清的原子身上，它们全都想同时坐在离邻居最舒服的那个距离上。能同时讨好最多原子的那种排布，也就是总能量最低的那种，往往恰恰是一种规则、重复的排布——那个井然有序的晶格。整齐的图案让每个原子都能找到一个好座位。一团混乱则会逼着一些原子挤得难受，又把另一些原子撂得太远。所以晶体不是被设计出来的；它不过是，当原子被给了机会去舒展安顿时，它们自然落入的那个样子。把熔体冷却得足够慢，秩序就会全凭自己浮现出来。