經過1.1億年的沉澱，琥珀被認為接近於理想的玻璃狀態，在那裡分子以最密集的隨機排列在一起。

2008年，米格爾·拉莫斯(Miguel Ramos)在報紙上讀到，在距離他居住的馬德里幾個小時車程的地方發現了一塊1.1億年前的琥珀，上面有原始的中生代昆蟲。作為一名專門研究玻璃的物理學家，拉莫斯多年來一直想要得到古老的琥珀。他聯絡了在該地點工作的古生物學家，他們邀請他前去參觀。

“他們向我提供了對他們不需要的清晰樣本，”他說。“琥珀裡並沒有什麼有趣的昆蟲或其東西…。但是，它們對我來說卻是完美的。”。

在接下來的幾年裡，拉莫斯斷斷續續地從事古代玻璃的測量工作。他希望，經過如此長時間的老化之後，這種樹膠化石可以接近一種被稱為理想玻璃的物質的假想形式。

長期以來，物理學家一直夢想著這種完美的非晶態固體。他們渴望理想的玻璃，不是因為它本身（儘管它有獨特、非常有用的特性），而是因為它的存在將解開一個深奧的謎。每扇窗戶、每一面鏡子、每一塊塑料、每一塊硬糖，甚至每一個細胞的細胞質，都構成了一個謎。從技術上講，所有這些材料都是玻璃，因為玻璃是固體和剛性的，但由無序分子構成，就像液體中的分子一樣。玻璃是一種懸浮的液體，一種分子奇怪地不能流動的液體。理想的玻璃，如果它存在，將會告訴我們為什麼。

不方便的是，理想的玻璃需要很長時間才能形成，在整個宇宙歷史中可能都沒有形成。物理學家只能尋找間接證據，去證明，如果給與無限的時間，情況就會如此。拉莫斯是馬德里自治大學的實驗物理學家，他希望經過1.1億年的老化，西班牙的琥珀可能已經開始展現出完美的光芒。如果是這樣，他就能知道普通玻璃中的分子在看起來什麼都不做的情況下，到底在做什麼。

拉莫斯實驗室裡的琥珀樣本。

拉莫斯對琥珀的測量，是人們對理想玻璃興趣激增的一部分。在過去的幾年裡，製造玻璃和在電腦上模擬玻璃的新方法取得了意想不到的進展。在過去的幾年裡，新的玻璃製造方法和計算機模擬方法帶來了意想不到的進展。關於理想玻璃的性質及其與普通玻璃的聯絡，出現了一些重要的線索。而這些研究為理想玻璃態存在的假設提供了新的支援。

玻璃的悖論

當你冷卻一種液體時，它不是結晶就是硬化成玻璃。這兩種情況中的哪一種取決於過程的實質和微妙之處，這是玻璃吹制工經過幾千年的反覆試驗才學會的。 對於他們而言，避免結晶是一種黑暗的藝術。

這兩種情況差別很大。

結晶是一個戲劇性的轉變，從分子無序和自由流動的液相，到分子以一種有規律的、重複的模式被鎖住的結晶相。例如，水在0攝氏度時凍結成冰，因為在這個溫度下，水分子停止晃動，剛好能感受到彼此的力量，並陷入緊鎖狀態。

其他液體在冷卻時更容易變成玻璃。例如，二氧化矽（窗戶玻璃）開始時是遠高於1000攝氏度的熔融液體；當它冷卻時，其無序的分子會輕微收縮，擠得更近，這使得液體變得越來越粘稠。最終，分子完全停止運動。在這個漸變的玻璃化轉變中，分子不會重組。它們只是慢慢地停下來。

冷卻液變硬的確切原因尚不清楚。如果玻璃中的分子只是因為太冷而不能流動，那麼，應該仍然有可能將它們擠壓成新的排列方式。但是，玻璃不會被壓扁，儘管看起來和液體中的分子一樣，但其雜亂的分子確實是剛性的。劍橋大學玻璃理論家卡米爾·斯卡利特（Camille Scalliet）解釋道：“液體和玻璃具有相同的結構，但行為不同。關鍵是要理解這一點。”

1948年，一位名叫沃爾特·考茲曼（Walter Kauzmann）的年輕化學家發現了所謂的熵危機（entropy crisis），這是一個如同玻璃般的悖論。後來，研究人員意識到，理想的玻璃似乎可以解決這個似是而非的問題。

考茲曼知道，冷卻液體的速度越慢，就越能在它轉變成玻璃之前冷卻它。而較慢形成的玻璃最終密度會更大、更穩定。因為它的分子需要更長的時間來移動（在液體仍然粘稠的情況下），並找到更緊密、能量更低的排列。測量結果表明，相對於較慢形成的玻璃，其熵或無序程度也相應降低 —— 分子以同樣低能量排列的方式減少了。

根據這一趨勢，考茲曼意識到，如果冷卻液體的速度足夠慢，那麼在它完全硬化之前，就可以一直冷卻到現在被稱為“考茲曼溫度”的溫度。在那樣的溫度下，得到的玻璃的熵將和晶體的熵一樣低。但晶體是整齊有序的結構。而玻璃，按照定義是無序的，怎麼能擁有同樣的秩序呢？

普通的玻璃是做不到這一點的，這意味著在考茲曼溫度下一定會發生一些特殊的事情。如果一種液體在達到那個溫度後，達到理想的玻璃狀態，即分子密度最大的隨機堆積狀態，那麼危機就可以避免。這種狀態會表現出“長程非晶有序”，即每個分子都感覺並影響其他分子的位置，因此為了移動，它們必須作為一個整體移動。這一假想狀態隱藏的長程有序可以與晶體更明顯的有序性相媲美。威斯康辛大學麥迪遜分校的化學物理學家馬克·埃迪格（Mark Ediger）說，“這個發現就是人們認為應該存在理想玻璃的核心原因。”

根據朱利安·吉布斯（Julian Gibbs）和埃德蒙·迪馬齊奧（Edmund DiMarzio）於1958年首次提出的這一理論，理想玻璃是一種真實的物質相，類似於液相和晶體相。轉變到這個階段需要太長的時間，需要太慢的冷卻過程，所以科學家們從來沒有看到過。紐約大學的凝聚態物理學家丹尼爾·斯坦說，理想的玻璃態轉變被“掩蓋”了，因為液體變得“非常粘稠，所有東西都被阻擋住了”。

斯坦說：“這有點像在黑暗中透過玻璃看東西。我們找不到（理想的玻璃）也看不到。但從理論上講，我們可以試著為那裡的情況建立精確的模型。”

一種新型玻璃

實驗帶來了意想不到的幫助。通過冷卻液體來形成理想的玻璃從來沒有任何希望，這是人類幾千年來一直使用的玻璃製造方法。為了防止液體在達到考茲曼溫度之前變硬，你必須非常緩慢地冷卻液體，甚至可能是無限緩慢地冷卻。但在2007年，威斯康星州的物理學家埃迪格開發了一種新的玻璃製造方法。他說：“我們想出了另一種方法來製造密度高、接近理想狀態的玻璃，這是一條完全不同的路線。”

埃迪格和他的團隊發現，他們可以創造出一種介於普通和理想之間的“超穩定玻璃”。他們使用了一種叫做氣相沉積的方法，將分子一個接一個地滴到表面上，就像玩俄羅斯方塊遊戲一樣，讓每個分子在下一個分子下來之前，都能緊緊地貼在正在成型的玻璃上。最終得到的玻璃比人類歷史上所有的玻璃密度更大、更穩定、熵值更低。埃迪格說：“如果你提取一種液體，並在一百萬年的過程中將其冷卻，這些材料具有你所期望的特性。”

超穩定玻璃的另一個特性最終將揭示理想玻璃最有希望的路線圖。

2014年，由馬德里的米格爾·拉莫斯(Miguel Ramos)領導的兩個小組發現了這種特性，當時他們發現，超穩定玻璃偏離了所有普通玻璃的普遍特性。

氣相沉積玻璃的不同性質，取決於它產生的溫度。梯度溫度導致了樣本的彩虹效應。超穩玻璃位於樣品的中間。

幾十年來，物理學家們已經知道，超冷玻璃具有很高的熱容量，即提高其溫度所需的熱量。玻璃比接近絕對零度的晶體能吸收更多的熱量，其熱容與溫度成正比。

包括備受尊敬的諾貝爾獎得主、凝聚態物理學家菲爾·安德森（Phil Anderson）在內的理論家，在上世紀70年代初提出了一種解釋。他們認為，玻璃包含許多“兩能級系統”，即原子或分子的小簇，它們可以在兩個可選的、同樣穩定的構型之間來回滑動。加州大學伯克利分校的弗朗西斯·赫爾曼（Frances Hellman）說：“你可以想象一整串原子從一種構型轉變為一種非常不同的構型，這種構型在晶體材料中是不存在的。”

雖然，原子或分子被它們的鄰居束縛得太緊，不能自己做太多的轉換，但在室溫下，熱量激活了兩能級系統，為原子提供了它們移動所需的能量。隨著玻璃溫度的下降，這種活動逐漸減弱。但在接近絕對零度的情況下，量子效應變得非常重要：玻璃中的原子群可以通過量子力學的方式在兩種不同構型之間的“隧道”，直接穿過任何障礙物，甚至可以在兩個能級系統中同時佔據兩個能級。該隧道吸收了大量的熱量，產生了玻璃特有的高熱容量。

在埃迪格找到製造超穩定玻璃的方法幾年後，位於伯克利的海爾曼小組和位於馬德里的拉莫斯小組分別著手研究，玻璃是否會偏離接近絕對零度的普遍熱容。在他們各自的實驗中，他們研究了超穩定矽和超穩定吲哚美辛（一種也被用作消炎藥的化學物質）的低溫特性。果不其然，他們發現這兩種玻璃的熱容都比通常情況下的絕對零度要低得多，與晶體的熱容相當。這表明，超穩定玻璃的兩個能級系統之間的隧道更少。這些分子的結構特別緊密，幾乎沒有競爭對手。

拉莫斯將琥珀冷卻到接近絕對零度的溫度，以測試它與理想玻璃狀態的接近程度。

如果超穩定玻璃的異常低熱容真的來自於較少的二能級系統，那麼理想的玻璃自然就對應於根本沒有二能級系統的狀態。哥倫比亞大學的理論家大衛·賴希曼（David Reichman）說，“不知何故，它恰到好處地位於所有原子無序的地方，它沒有晶體結構，但沒有任何東西在移動。”

此外，驅使這種理想的長程非晶有序狀態的原因是，每個分子都會影響其他所有分子的位置，這可能是導致液體硬化成我們周圍常見玻璃的原因。

當液體變成玻璃時，實際上是在試圖轉變為理想的玻璃相，這是由長程有序的基本拉力所吸引的。 理想的玻璃是終點，但當分子試圖聚集在一起時，它們就會粘在一起；不斷增加的粘度阻止了系統達到理想的狀態。

最近，開創性的計算機模擬被用來測試這些想法。在計算機上模擬超穩定玻璃在過去是不可行的，因為模擬的分子聚集在一起需要大量的計算時間。然而，兩年前的一個技巧，使計算過程加快了1萬億倍。這種演算法會隨機挑選兩個粒子，並交換它們的位置。這些搖動幫助模擬的液體保持鬆散，使分子能夠穩定地形成更貼合的形狀。

在一篇發表在《物理評論快報》上的論文中，合著的科學家們報告說，模擬玻璃越穩定，它的二能級系統就越少。與赫爾曼和拉莫斯的熱容測量一樣，計算機模擬表明，兩個能級系統相互競爭的分子群構型是玻璃熵的來源。這些可供選擇的狀態越少，非晶態的穩定性和長程有序性就越強，越接近理想狀態。

琥珀異常

2014年，拉莫斯和他的合作者在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發表了他們對黃玻璃的老樣品和“恢復活力”樣品的比較。他們發現，這隻擁有1.1億年曆史的琥珀的密度增長了約2%，與超穩定玻璃一致。這應該表明，隨著時間的推移，琥珀確實已經穩定下來了，因為一小群分子一個接一個地滑入了較低能量的排列中。

但是，當馬德里團隊將古老的玻璃冷卻到接近絕對零度，並測量其熱容量時，結果卻講述了一個不同的故事。陳年琥珀、新琥珀以及所有其他普通玻璃一樣有很高的熱容量。它的分子似乎像往常一樣在同樣多的二能級系統之間隧穿。

為什麼隨著琥珀的穩定和密度的增加，兩級系統的數量沒有隨著時間的推移而下降呢？調查結果與此不符。

“我真的很喜歡關於琥珀的實驗，但製作琥珀玻璃的過程有點混亂，”氣相沉積法的發明者埃迪格說。“它基本上是樹膠，隨著時間的推移，它會發生化學變化，並隨著時間的推移而凝固。”他認為西班牙琥珀中的雜質可能汙染了熱容測量。