1543年，哥白尼提出了地球围绕太阳旋转的日心说。他的理论花了150年才流行起来，梵蒂冈花了400多年才正式接受它。同样，杰出的材料科学家江上武在他的职业生涯中一直在揭示金属玻璃和其他液体的复杂原子结构——有时会与科学界最初持反对态度的人分享他的理论。然而，他愿意不遗余力地让同事们接受他的最新发现。

液体和玻璃的非晶态、无定形原子结构确实无处不在。景象一片混乱：无序的原子散落在各处，就像刚摇好的珍珠奶茶中的木薯珍珠一样。

Egami在美国能源部橡树岭国家实验室和田纳西大学诺克斯维尔分校(UTK)研究这些材料。2008年至2015年，他担任UT-ORNL中子科学联合研究所所长。Egami和他在ORNL材料科学与技术部的同事利用中子散射和同步加速器X射线越来越清晰地观察非晶态材料的结构、动力学、转变和变形。

在晶体中，原子结合在一起，排列成一种坚硬的、类似攀爬架的结构，称为晶格。正是这种晶格使得大多数固体(如珠宝、冰箱和高层建筑)成为固体。

“原子几乎没有多少自由度可言，”Egami说道，“晶体结构就像一个独裁政权，每个原子都必须表现得与其他原子一样。液体就像一个民主国家，原子可以自由移动。”结构分析具有挑战性，因为原子总是处于混乱状态。

原子建模的典型方法是自下而上的方法，其中每个原子与其最接近的相邻原子相连。这种方法对大多数固体都很有效，但自下而上的非晶态材料分析一直让江上感到不安，因为它们具有不稳定、混乱的性质。

他说：“自下而上的方法非常以自我为中心，就像地心说宇宙观一样，认为地球是中心。”和哥白尼一样，江上一辈子都在寻找这些物质的宇宙真相。

江上在东京大学完成应用物理学本科学习，在宾夕法尼亚大学获得材料科学博士学位，并在萨塞克斯大学和马克斯·普朗克研究所进行博士后研究后，在宾夕法尼亚大学任教30年。2003年，他来到橡树岭国家实验室，专注于尚未开发的液体物理学领域。

“水本身就是一个大谜团，”江上说。“水的经典物理学已经为人们所熟知，但关于水，还有很多我们不明白的地方。这太基础的东西了，对吧?生命就是从水而来的，而我们不知道为什么。”

江上利用神秘的金属玻璃来研究非晶体材料的结构、功能和变形。

TakeshiEgami使用同步加速器X射线和中子散射观察液体中的动态原子相关性。图片来源：CarlosJones/ORNL，美国能源部

金属玻璃看起来是固体，但其无序的原子结构使其在技术上成为冻结的液体。这种不透明物质由金属合金制成(由两种或多种金属元素混合而成)，这些合金处于过冷状态，因此原子没有机会自行组织成晶格结构。

由于缺乏结构，金属玻璃具有高弹性、极强的强度和易磁化的特性。自20世纪70年代进入市场以来，金属玻璃已用于体育用品、智能手机和医疗设备等产品。然而，人们对其机械性能的来源知之甚少，这限制了其商业用途。

例如，金属玻璃虽然强度高，但非常脆弱。用金属玻璃制成的球杆击打高尔夫球太多次，球杆就会碎裂。目前有关金属玻璃的理论无法描述这种怪异现象。

江上的研究开始揭示非晶态材料的结构和功能行为，这些行为与主流理论相悖。他希望这些发现能够带来分析方法的改变，产生广泛的科学影响。

2017年，江上和他的团队利用日本SPring-8设施的同步加速器X射线首次展示了水中的动态原子相关性。相关性衡量的是单个原子的运动受其他原子影响的程度。

“每个人都知道这些关联，但之前没有人见过它们，”Egami说。“现在，我们首次能够看到原子在空间和时间中如何关联。”

探索新密度波理论的旅程始于江上对自下而上的原子建模的不安。他的新方法从更广阔的视角出发，从中程有序开始——单个原子与周围原子之间的关联，距离可达原子尺寸的10倍。

“我一直认为也许有一种全局的观察方式，而不仅仅是局部的观察方式，”他说。“为什么我们不能同时观察整个系统?”Egami和UTK的ChaeWooRyu在2022年发表的一篇论文描述了一种密度波状态或涟漪。这种涟漪的证据之前曾被观察到，但被解释为X射线散射引起的实验数据中的噪声。'

2019年，江上团队采用了一种新颖的实验方法，即在真空条件下使液体悬浮，消除了噪音，并证实了波纹是真实存在的。这一发现开创了密度波理论，并提出了自下而上和自上而下方法之间关系的新假设。

“有时冲突可以创造出一些全新的东西，”Egami说。自下而上和自上而下的观察之间的竞争促使Egami及其同事提出了一种新的中程顺序，这可能是液体和玻璃中粘度和变形的关键。Egami希望这些发现能够打破金属玻璃天花板，并在测试样本的世界之外获得关注。

科学家利用密度泛函理论计算和预测复杂系统的电子行为。“化学家一直在使用这种方法，因为它比做实验更容易，”Egami说。但对于电子关联性强的材料，如磁铁或高温超导体，这种计算并不理想。

江上利用研究液体的相同方法研究电子，成功观察到了电子相关性。“由于我们能够观察到动态电子相关性，因此不再需要依赖密度泛函理论。”

这位受人尊敬的材料科学家带着他的研究成果踏上了旅程，并开始了单人演讲之旅。

“我知道这需要一段时间才能流行起来，”他说。尽管他的发现在其他学科遇到了阻力，但他已经习惯了。“这不是我的第一次挑战，”江上在谈到他合著的书时说，这本书提出了一种分析无序晶体的新方法——最初遭到了巨大的阻力。

经过10年的劝说，同事们终于接受了他的观点。江上一郎的分析技术(详见《布拉格峰之下》)现已成为该领域的标准。

关于所提出的密度波理论和金属玻璃的中程有序，江上说：“我并不着急。”他乐观地认为，他的理论不会像哥白尼理论那样需要很长时间才能被接受。

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