云室、玻璃和时间

|作者：孙永昊(中国科学院物理研究所)

本文选自《物理》2026年第9期

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云 室

如果你曾走进剑桥大学的卡文迪许实验室博物馆，大概率会见到一台仍在运转的威尔逊云室(图1)。学过中学物理的人都知道，里面那些交错纷繁的白色径迹，记录的是X射线产生的高能粒子。你或许听说过，威尔逊因这项发明摘得了1927年的诺贝尔物理学奖；但你可能不知道的是，云室其实并非威尔逊的首创。

图1 威尔逊云室(来源于英国剑桥大学卡文迪许博物馆)

故事要从一场火烧云说起。威尔逊当时任教于剑桥大学悉尼·苏塞克斯学院，他研究云室的初衷颇为浪漫——纯粹是想在实验室里重现苏格兰高地上空那瑰丽如火山的晚霞。翻阅文献时，他发现法国工程师埃特肯早已造出了一台“造云装置”：将水静置于密闭玻璃瓶中，待蒸气饱和后突然连通真空瓶，气体因快速膨胀而降温，云雾随即涌现。埃特肯注意到一个细节——第一次膨胀时云雾浓密，但等水滴落定、空气“清净”后再膨胀，云便消失了。他由此断定：水蒸气必须依附空气中的尘埃，才能凝结成可见的水滴。威尔逊没有止步于此。他换用更大的玻璃瓶，并尝试把膨胀比推得更高。当膨胀比大于埃特肯设计值25%时，奇迹发生了——即便彻底排除了灰尘，云雾依然如约而至！埃特肯的“无尘则无云”定律在此失效。第一次膨胀照旧产生浓雾，但在后续的膨胀中，原本“干净”的空气里竟持续生成薄雾。威尔逊坚信，空气中必然潜藏着某种“看不见”的凝结核。它究竟是什么？

结合当时高能物理的进展，威尔逊做出了一个大胆的假设：这些神秘凝结核，或许就是空气中的带电粒子。X射线恰好能在空气中电离出大量带电粒子。他随即用X射线照射云室——结果不出所料：无X射线时，仅有淡淡薄雾；一旦开启X射线，瞬间浓雾弥漫。谜底就此揭晓：所谓“看不见”的凝结核，正是被电离的微观粒子。

此后的故事，便成了物理学史上的华彩篇章。在云室中，又粗又直的径迹是α粒子，又细又弯的曲线是β粒子——卢瑟福区分了两种粒子，于1908年荣膺诺奖；赫斯将目光投向苍穹，发现即便没有X射线，云室中依然有带电粒子现身，它们来自宇宙深处，这让他斩获了1936年的诺贝尔奖；布莱克特更是在百万分之几的极低概率下，从杂乱径迹中捕捉到直线分叉的现象，证实了人工核反应，再添1948年诺奖。一台实验装置，竟如链式反应般催生了数项诺奖，即便在科学史上也极为罕见。在那个年代，云室几乎是全球所有高能物理实验室的标配。它以极其简洁的设计，将亚原子世界的幽灵化为触手可及的白色弧线，尽显实验物理的极致美感。

说到这里，我们不禁重新审视：威尔逊的真正贡献到底是什么？他只是(或许无意中)改进了埃特肯的装置，用玻璃制作了一个体积更大的云室，但结果却天差地别。埃特肯的云室止步于“造云”，而威尔逊的云室却升级为“显微”——他刻意制造出自然界极少存在的过饱和极端状态，让脆弱的水汽得以在单个粒子上凝结。埃特肯创造了一件精巧的仪器，而威尔逊创造了一类极端条件。因此，诺奖归于威尔逊，并非抹杀埃特肯的奠基之功，而是表彰威尔逊将一项技术升华为一种科学范式。

创造、研究和利用极端条件，正是中国科学院物理研究所(以下简称物理所)极端条件物理重点实验室的使命。所谓极端条件，就是人为地创造、达到或逼近当前技术极限的极低温、超高压、强磁场和超快光场。如今，物理所的综合极端条件实验装置已实现1 mK的极低温，300 GPa的超高压，26 T的超导磁体强磁场和100 as的超快光场。将以上两种或多种极端条件叠加，便构成了综合极端条件。常规实验条件宛如一方小窗，而综合极端条件则将小窗拓展为广角镜，让我们看到常态下隐匿的物理奇观。事实上，大量诺奖级的发现都诞生于此。

比发现新现象更重要的，是在常规条件下利用这些极端条件的产物。超导便是在极低温下观测到的现象，而人们之所以对室温超导孜孜以求，正是希望有朝一日能在平常环境中享受它带来的便利。从这个意义上说，“创造”、“研究”与“利用”极端条件，恰好对应着科学进步的三个台阶。而玻璃，正是我们沿着这条思路，用急速冷却创造出的另一种“极端条件”产物——它将液态的结构冻结在时间之中，等待着用同样的极限思维去解锁。

2

玻 璃

如果说云室的故事让我们看到，将膨胀比推到极限如何让微观粒子现出踪迹，那么这种“逼近极限”的思路，同样指引着我们走进另一种看似寻常却暗藏玄机的物态——玻璃。云室是在空间尺度上突破常规，让单个离子成为凝结核；而玻璃的研究则需要在时间尺度上突破常规，在极短或极长的窗口里捕捉液体被“冻结”的瞬间。正是沿着这条“极限出真相”的逻辑，我们从威尔逊的白色径迹，转向玻璃内部那隐而不显的原子舞动。

中国科学院物理研究所极端条件物理重点实验室非晶团队，研究的是一种通过急速冷却形成的玻璃材料。如果说常规的物态分为气态、液态和固态，那么俗称玻璃的非晶态，便是当之无愧的第四种物态[1]。从微观结构看，晶体中的原子或分子按周期性规则排列，而非晶体则承袭了液体的原子构型——短程有序，长程无序。若液体经历缓慢冷却，原子有充裕时间到达能量最低的平衡位置，凝固后便形成晶体，我们周围绝大多数材料皆属此类；但若施以快速冷却，原子来不及遍历空间，液体的黏度便会随温度骤降而猛增。一旦黏度突破1012 Pa·s，玻璃化转变随即发生，液态结构被“冻结”成固态。玻璃，本质上是被定格在时间里的液体，如同超现实主义画作里融化的时钟(图2)。它在受力时并非不流动，只是由于黏度过大，在常规观测窗口内几乎静止；唯有在特定频率的力学刺激下，局域结构才被激活，发生微弱的流动。如果说晶体是空间上的固体，那么玻璃就是时间里的固体。

图2 萨尔瓦多·达利《记忆的永恒》画作里融化的时钟(来源于美国纽约现代美术馆)

玻璃材料包罗万象，其中最古老的代言者当属琥珀。百万年前的一个夏天，一滴树脂从树上落下，偶然包裹住树下觅食的昆虫，凝固后便成为琥珀。地质学家从中读取远古的自然信息，而物理学家看到的则是另一层奥秘：琥珀之所以能跨越百万年而存留，正因为它是一种玻璃。玻璃的结构特征是各向同性，这意味着它在任何方向上的力学性能一致。若换作各向异性的晶体，必有强度薄弱的“软肋”，易被风霜雨雪定向击破——敦煌莫高窟的岩体便是晶体，风蚀成为其头号威胁。风蚀当然也会磨损琥珀，但因各向同性，损耗在每一方向上都均匀分摊，没有哪个方向会率先崩溃。正是这种“无懈可击”的对称性，让琥珀得以从容抵抗岁月的侵蚀。

而我们最熟悉、应用也最广泛的，当属透明的硅酸盐玻璃。早在两千多年前，埃及人已熟练掌握平板玻璃的制法；中世纪，玻璃镜片的磨制技术日趋成熟，将显微镜与望远镜的极限推向新高，直接催生了航海与光学领域的革命。即便步入21世纪，美国康宁公司的“大猩猩”玻璃让触摸屏智能手机与平板电脑成为主流。而“大猩猩”高强高韧的力学性能，离不开一种简洁而精妙的离子交换工艺。普通硅酸盐玻璃易被钥匙等硬物划伤，症结在于表面强度不足。将其置于特定成分与温度的熔盐中保温，熔盐中的钾离子会置换玻璃表面的钠离子——钾的离子半径更大，置换后表面便产生一层残余压应力，强度可提升数倍。这层压应力还能有效抑 制表面裂纹的萌生与扩展，正是玻璃由脆转韧的关键。你看，仅凭一道工艺处理，硅酸盐玻璃的性能便脱胎换骨。近日，微软“硅计划”团队在《自然》杂志发表了玻璃存储新突破[2]。他们用廉价的硼硅酸盐玻璃(常见于炊具)替代昂贵石英，借助飞秒激光在玻璃内部三维写入纳米级体素来编码数据。一块12厘米×12厘米、2毫米厚的玻璃板可存储4.84 TB数据，室温下能保存超过一万年，真正实现“一次写入，永久保存”。若说材料是文明的载体，那么硅酸盐玻璃无疑重塑了我们接收与传递信息的方式，为智能时代铺就了基石。

另一种人们熟悉的高分子玻璃，当属俗称“有机玻璃”的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。1927年，德国罗姆-哈斯公司的化学家在两块玻璃板之间加热甲基丙烯酸甲酯时，意外得到的竟是透明度极佳的有机玻璃板。这种材料率先在飞机工业中得到应用，取代了赛璐珞塑料，用作飞机座舱罩和挡风玻璃。如果说硅酸盐玻璃改变了我们接收信息的方式，那么高分子玻璃则重新定义了“玻璃”的重量——它的密度仅为普通玻璃的一半左右，透光率却高达92%，比普通硅酸盐玻璃的85%还要高出一截。更令人惊叹的是PMMA的力学性能：它的抗拉伸和抗冲击能力比普通玻璃高出7到18倍。正因如此，按体积计算，波音737飞机的材料约有百分之四十为高分子玻璃[3]。从战斗机的座舱罩到高铁的窗户玻璃，从安全头盔到医疗器械，高分子玻璃以其轻质、高韧、易加工的特性，几乎无处不在。

玻璃还有一种出人意料的身份——药物。你或许从未想过，你吃下去的那片药，有可能正处于玻璃态。许多新开发的药物分子水溶性极差，口服后难以被人体吸收，生物利用度极低。晶体状态的药物分子排列规整、能量低，分子间作用力强，水分子很难“挤进去”将其溶解。但如果将这些药物分子制备成非晶态——也就是药物玻璃——它们的溶解度可以大幅提升，溶出速度和生物利用度也随之改善。将晶体药物转变为非晶态的方法并不复杂——熔融后快速冷却、喷雾干燥、冷冻干燥，都可以实现。然而，药物玻璃面临一个致命的难题：稳定性。非晶态在热力学上是不稳定的，它总想回到能量更低的晶体状态。一旦在储存过程中发生“反玻璃化”——重新结晶，药效就会大打折扣。为了解决这个问题，制药科学家们想出了各种办法，例如将药物与高分子载体混合制成“玻璃溶液”，用亲水性高分子来抑制药物分子的结晶，或者将药物装载到介孔二氧化硅的纳米孔道中，用物理空间限制来阻止结晶，等等。一些原本因溶解度太低而无法成药的新分子，只消一次“玻璃化”处理，便可能起死回生。

曾几何时，人们并不相信金属也能形成玻璃。金属原子在液体中扩散迅速，外层价电子又具有离域特性，可在原子间自由“巡游”，似乎与玻璃的“冻结”意象格格不入。直到1960年，美国加州理工大学的Duwez教授在急速冷却的金硅二元合金箔片中，发现了一种可在室温下保存12小时的非晶结构，才首次打破这一认知壁垒。此后，金属玻璃的薄膜、粉末、细丝与条带相继问世。20世纪90年代，日本东北大学的井上明久教授成功制备出临界尺寸超过厘米级的锆基大块金属玻璃，将金属玻璃带入“块体”时代。如今，金属玻璃已涵盖锆、钛、钯、铜、铁、钴、镁及稀土等大量体系，已知金属玻璃成分据称已逾12900种。在人类已知的材料中，钯基金属玻璃兼具高强度与高韧性，堪称最优，彻底颠覆了“玻璃即脆”的刻板印象。金属玻璃最令人瞩目的性能有二。其一是高弹性。以锆基非晶为例，其弹性模量约为不锈钢的一半，强度却接近不锈钢的10倍，弹性储能密度高达不锈钢的200倍——华为折叠屏手机的铰链，正是选用了这一材料。其二是软磁性能。铁基非晶兼具低矫顽力、高饱和磁感应强度与高磁导率，用作高频电机铁芯可大幅降低能耗。广汽集团的昊铂汽车所搭载的金属玻璃电机，已将电池能量转换效率推至98.6%。

玻璃与晶体材料的研究范式截然不同。晶体的形成往往依赖特定的化学计量比，在平衡相图中被严格限定；而玻璃的形成则可在宽广的成分空间内灵活调控，无须拘泥于化学计量比——这一自由度源于其非平衡的形成过程。现代玻璃成分开发早已告别“试错法”的旧路。物理所柳延辉研究员发展的高通量玻璃制备技术，可在一小时内同时制备数千个合金成分，并借助X射线衍射结构表征快速锁定非晶态成分[4]。这项技术不仅能高效发现新成分，还适用于在特定成分空间中快速筛选具备最优结构或功能特性的新材料。此外，玻璃纤维作为风电叶片的关键材料，其弹性模量越大，叶片便可做得越薄，对海上风机的安装与维护越有利——这正是玻璃在清洁能源领域的前沿延伸。

工艺，则是调控玻璃结构与性能的又一枢轴。即便成分相同，不同制备或加工路径也能赋予玻璃截然不同的宏观表现。事实上，仅冷却速率的变化，便可使玻璃的焓、熵和密度在接近50%的熔化焓、熔化熵与熔化密度范围内连续调变——这在晶体材料中几乎不可想象，晶体的能量与密度变化仅能通过有限浓度的缺陷来微调。正因如此，玻璃可以在“天使”与“魔鬼”之间徘徊：许多玻璃在初生时具有塑性，但随着时间推移，能量降低、密度增大、塑性流失，最终沦为脆性材料，“保质期短”成为部分玻璃的短板。然而，通过冷热循环[5]、剧烈塑性变形[6]或记忆效应[7，8]处理，老化玻璃的“青春”——铸态性能——可以被唤醒，重返塑性。工艺优化不仅关乎玻璃的“保养”，更关乎其性能的极致释放。而这一切，离不开对极端条件的精确驾驭：差之毫厘，谬以千里。

3

时 间

一只木桶能装多少水，取决于最短的那块木板。缺陷，就是固体材料内那块最短的木板，直接决定了材料物理性能的优劣。晶体是空间上的固体，其缺陷可以通过分子或原子的周期性排布来定义；玻璃是时间里的固体，它的缺陷则需要选择合适的观测时间窗口来捕捉。在室温附近的温度区间和1 Hz左右的频率窗口里，人们可以在不同的玻璃材料中观察到β弛豫——它由玻璃中的缺陷贡献，其局域运动可以深刻影响材料的宏观性能[9]。但玻璃中并非只有一种弛豫模式，也并非只有一种缺陷。要想继续深入，就必须拓展极端条件的边界。

图3 (a)超快差热分析用高温加热芯片；(b)便携式力学实验机

我回国以后，长期从事超快差热分析和微纳蠕变力学研究，分别从超短和超长两个时间方向逼近玻璃行为的本质。超快差热分析利用先进的芯片设计，将传统的坩埚、热电偶、电阻丝全部集成到一块厘米级的芯片上(图3(a))，可以对微米尺寸的超小样品实现从零下90℃到1000℃、跨越5个数量级的快速加热或冷却[10]，其最大温变可超过每秒40000℃[11]。微纳蠕变力学则使用自研的力学实验机(图3(b))，观测微米级厚度的条带或细丝在10 MPa超小应力下、超长时间里的形状变化。研究超长时间蠕变行为的主要困难，在于如何从噪声信号中提取出极其微弱的形变信息。我们将具有100 nm长度分辨率的光栅尺固定到仪器机架上，在克服振动干扰的同时，精确表征材料随时间的长度演化[12]。就这样，我们在实验室里为玻璃材料的性能表征创造出了独有的极端条件。

液液相变，指的是在成分不变的前提下，一种液体相转变为另一种液体相[13]。但问题在于，作为一种典型的非晶结构，液体短程有序、长程无序——该用什么样的序参量来区分两种结构不同的液体？答案可以从两个角度入手：其一，长程无序的液体可以具有不同的密度；其二，不同的液体可以具有不同的短程序。日本东北大学的Tanaka教授曾在一种TPP小分子中发现了由短程序转变驱动的液液相变[14]。研究液液相变的工程意义在于，可以通过玻璃化转变，将两种成分相同、结构相异的液体“冻结”下来，从而获得性能迥异的玻璃材料。利用超快差热分析，我们在一种稀土基金属玻璃中观测到了 液液相变对应的放热峰，并通过快速冷却第二种液体，成功获得了冰川态金属玻璃(图4)。与同成分的传统金属玻璃相比，冰川态金属玻璃的硬度、强度和耐磨性均有显著提升[15]。更为关键的是，我们在大约一毫秒的实验窗口中，首次捕捉到了从第二种液体返回第一种液体的逆液液相变吸热峰——为液液相变的存在提供了决定性证据。时间太短，液液相变来不及发生；时间太长，逆液液相变的信号又会被晶化掩盖。正是极端条件，让这条关键证据得以显现[16]。

图4 稀土基金属玻璃在快速加热中的比热变化。黑色、蓝色和红色箭头分别指向液液相变、晶化和熔化。黄色箭头指向的白色区域代表逆液液相变，其出现的时间约1ms(根据参考文献[15]中的数据重制)

金属玻璃电机凭借优异的软磁性能，可以显著降低新能源汽车的能耗。然而，铸态铁基金属玻璃条带的冲裁加工废品率一直居高不下。铸态条带的塑性远优于退火态，但不同铸态条带之间的塑性差异依然很大，暗示了其内部固体缺陷的多样性[17]。玻璃是“冻结了的液体”，即使在10 MPa左右的微小应力下，也能探测到局域原子运动——这意味着冲裁前任何轻微的力学扰动，都可能改变铸态条带中的缺陷状态[18]。我们利用拉伸实验机对铸态非晶条带进行“台阶式”拉伸蠕变实验：从低应力到高应力，逐级加载，每级保持应力蠕变一小时。结果意外发现，条带在一小时蠕变过程中的形变呈现“先减小、再增大”的非单调特征(图5)[19]。这种形变行为取决于缺陷的不同形成历史：旧缺陷源于制造过程中的急速冷却，新缺陷则来自加载过程中的应力激活。原理好比一场负重赛跑——发令枪响之前，所有选手(缺陷)站在同一起跑线上，你分不清谁快谁慢；枪响之后，每个选手的表现各不相同，从他们的成绩(时间)里，你就能辨别出各自的差异。这种加载方式，为铸态金属玻璃条带的质量控制提供了一种便捷的检测手段。

图5 (a)台阶式蠕变模式；(b) 每个台阶上的蠕变应变量[19]

光纤是纯度极高的石英玻璃——之所以选择玻璃而非晶体，是因为同成分的晶体材料存在晶界缺陷，会偏折光线。稀土元素对光纤玻璃的折射率影响显著，不仅可以除杂、吸收紫外线，还能在外部激光照射下发生动态变化。我们在研究玻璃材料老化的过程中，意外发明了一种可以在空气中自发改变颜色的玻璃材料。如图6所示，在13天时还是棕色的样品，到43天时已经变成了海蓝色[20]。事实上，在长达180天的时间里，这种材料的颜色持续不断地在蓝色、黄色、粉色、紫色、绿色之间往复变换。其变色机制来源于在空气中不断增厚的氧化层——当氧化层厚度达到半波长的整数倍时，便会产生干涉，呈现不同的颜色。原理虽然简单，但其变色效果却与光纤有着异曲同工之妙。首先，金属玻璃表面颜色均匀一致，这得益于其无晶界的结构特征，不会出现晶态金属生锈时那种斑驳不均的色差。其次，稀土元素的掺杂对氧化速率影响极为显著，1%量级的浓度调控就能带来截然不同的颜色效果。此外，二氧化铈氧化物的密度远低于合金本身，因此氧化层承受压应力，不易产生裂纹。如果对材料表面不同区域进行结构调控，还可以在样品表面“绘制”出彩色图案[21]。这种金属玻璃为纪念币的设计提供了一种极具潜力的新材料。

图6 随时间自发改变颜色的合金[20]

4

总 结

从卡文迪许博物馆里那台静静运转的威尔逊云室，到物理所极端条件下高速淬火而成的玻璃，跨越百年的科学探索贯穿着同一条逻辑：极端条件是为了让隐藏在常规视野之外的真相显形。威尔逊将膨胀比推过埃特肯的极限，让过饱和蒸汽在单个离子上凝结，从此微观粒子不再是方程里的符号，而成为肉眼可见的白色径迹；今天，我们把冷却速率推到每秒万度、把时间分辨率压到毫秒甚至更短，只为“冻结”液体瞬息万变的结构，在玻璃这个“时间里的固体”里辨认缺陷的指纹、捕捉液液相变那一闪而过的证据。晶体是空间的有序，玻璃是时间的定格——而我们所做的，正是在时间的两个极端上同时发力：在超短与超长之间，为无序物质书写一部动态的“编年史”。那些在常规条件下稍纵即逝或隐匿不显的现象——逆液液相变的吸热峰、台阶式蠕变中的缺陷“赛跑”、空气中自发变幻的干涉色彩——唯有在极端条件下才肯露出真容。正如威尔逊的云室催生了接踵而至的诺贝尔奖，今天我们对极端条件的每一次逼近，都是在为下一代颠覆性技术储备“种子”：更高效率的非晶电机、更长寿命的药物玻璃、更轻更强的折叠屏铰链、甚至一枚可以随时间变换色泽的纪念币。科学的前沿从来不属于安于常态的人，它属于那些敢于把温度、压力、时间推到极限，然后在极限处瞪大眼睛、屏住呼吸、等待奇迹的人。而这，正是我们每天在做的事。

致 谢感谢中国科学院智能科学家平台对人工智能驱动的实验、模拟及模型训练的大力支持。

参考文献

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[21] Wang P，Wang Y，Cheng Q et al. Journal of Alloys and Compounds，2022，901：163674

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