玻璃是固體還是液體？

晶態和液態都是平衡態概念，是平衡態物質的相態。作為相態的概念，最好用“態字”。

反而“玻璃”是什么，需要定義清楚。目前物理中討論的分子“玻璃”是依靠一個物理過程來定義的。這個物理過程表述起來篇幅還不短。

環境溫度變化后，在新溫度下樣品需要時間才能達到相應的平衡態。如果這個溫度在熔點以上（樣品是液態），這個時間很短。如果我們降溫的時候，在每個溫度下都等到平衡態才變到下一個更低的溫度，這樣下去我們會先達到熔點的溫度（玻璃化轉變溫度總是比熔點低）。達到熔點的時候樣品就結晶（這里面的成核機制問題就不深入了）變成晶態。如果樣品由于種種原因沒有結晶，保持了液態。從這時起樣品屬于“過冷液體”（supercooledliquid）。有很多能形成玻璃的液體（glass-formingliquids）從結構上導致就無法“結晶”，它的相空間就不存在一種能量遠低于其他構象的“晶態”，所以本來就不存在熔點，那就沒有“過冷”或“低于熔點”概念，就是個液態。隨著溫度的繼續降低，等待樣品達到平衡態的時間會越來越長。另一方面，樣品粘度隨溫度增大得越來越快。這就導致等待樣品達到平衡態的時間的增長也越來越快。說白了就是平衡態粘度和等待時間隨溫度發散。在有限的實驗觀察時間范圍內，我們看到的是樣品達不到平衡態，或者停留在離平衡態很遠的狀態，而且幾乎完全失去流動性。這時樣品屬于“玻璃”（glass）。所以，過冷液體是指低于熔點的平衡態液態而玻璃是指樣品在熔點以下在有限的實驗觀察時間范圍內處于非平衡態失去流動性的狀態。或者說，玻璃是粘度很大的非平衡過冷液體。

至于玻璃態的實質是什么，它非平衡，那它平衡了之后是什么態，有沒有發生相轉變（不管是一級還是次級），一直沒有定論。所以現在還沒法給出比上述這種描述式的定義更加本質的，而且又公認的定義。

有的回答說，從流變學的角度，不流動就是固態。這其實還是不太全面的概念歸屬。如果是固體，那它的模量是多少？晶態固體的模量是可以計算的。液態流體的粘度也是可以計算的。它們的計算基礎是完全不同的。玻璃按上述定義若僅是一種粘度很高的液體，那我們就應該總是討論其粘度，而不存在討論其模量的結構基礎。其實，聊到流變學，更一般的狀態是“粘彈性體”。哪怕是小分子液體，在處于玻璃態時，由于其dynamics變得越來越協同（cooperative）（這種術語也就講給這些答案下的同行聽了），所以其響應會有記憶效應，即粘彈性。粘度很大可以對應出一個有限的瞬態模量。粘彈性也有其結構基礎，它們的松弛模量也可以從結構動態進行計算。但是，玻璃態物質的粘彈性的第一性原理模型，是當前這個領域很難的問題。在這里能討論的只是：我們把玻璃當作固體，拿來測得到的模量，其實是瞬時模量。只是這個瞬時性也要很長的觀察時間才能顯示出來，因此在有限的觀察時間內很像理想固體的永久模量。

有答案說，玻璃在給定溫壓下是“穩態”，或者說瀝青在常溫常壓下是“穩定態”，其實有偏頗。一定溫度和壓力，并不對應一個唯一的玻璃態。以等壓實驗為例，一定溫度下的玻璃的狀態，除了取決于它之前的變溫歷史之外，還取決于在此溫度下的等待時間（玻璃會物理老化），具有“記憶性”。關于這方面的性質，可參考A.

J. Kovacs，L. C. E. Struik和G.

McKenna的工作。既然如此，到底什么量能唯一地“標定”玻璃態所處的非平衡“狀態”呢？也就是說，玻璃物質的序參量怎么選？這又是一個玻璃態研究的既古老又前沿問題。所以，僅溫度和壓力不足以唯一地規定玻璃的狀態，處于某個狀態下的玻璃，它也不是穩定的，而是會隨時間發生“物理老化”。在“物理老化”的過程中，玻璃的靜態結構變化很小但是動態不斷變慢、動態的不均勻性增大，所以在這個意義上不能認為是“穩定”。

玻璃問題有一般性。上升到一般性的話，在凝聚態物理中也算是一個比較重要的基本問題。除了分子玻璃之外，還有膠體玻璃。與分子長程吸引短程排斥相反，膠體往往是短斥吸引，有時包括長程排斥。膠體時間尺度慢，還有凝膠態，其實是因相分離與玻璃化轉變耦合而凍結形成的結構，因此具有與玻璃態類似的dynamics。膠體玻璃推廣到零溫還可包括“顆粒物質”（granular

materials）。

如果回溯到最初挖這個坑的人P. W.

Anderson，他提出的其實是自旋玻璃（spinglass）而不是分子玻璃。除了膠體玻璃、分子玻璃，還有電子玻璃。這些不同物質領域的主要研究幾乎不重疊，但它們的研究者都用玻璃來稱呼這些狀態，反映了在整個凝聚態物理中，“玻璃”性質有公認的特征。這些是什么特征？是否夠本質？或者說，“玻璃”是否存在一個一般的統計力學描述或定義，是這個方向上研究的基本問題。舉個相對的例子，正是由于“晶體”已經有明確的熱力學定義，那么當我們在談“膠體晶體”的時候，我們才都知道我們談的是什么。

玻璃作為非晶類固體，在工業和生活上的應用就更廣泛了。也跟流變學的研究對像“復雜流體”、“非牛頓流體”等密切相關。這些體系對于理論物理研究都很dirty。在生物方面，也有人希望從玻璃態的角度去看待某些問題。玻璃的這個汽球也可以吹得很大。有時你也得先搞清楚，你想談的“玻璃”是在多嚴格的層面上。