序
完美是一种理想状态，但对大多数人来说，一本书的书名透露出对缺陷的赞扬，甚至还要发现它们的可用之处，也着实有违常理。然而我坚信，我所选择的案例足以证明缺陷也值得赞颂。事实上，要列举这样的案例非常容易，因为我们熟悉的大多数技术产品，从金属、玻璃、电子设备和计算机，到汽车和建筑材料，它们之所以存在，并能为我们所用，是因为它们都有缺陷。许多案例都是我们所熟知且通俗易懂的。对于我所选择的案例，读者不需要具备相应的科学背景，因为我会提供必要的相关信息。对生命科学来说，缺陷也同样有价值，不过详细解释起来可能很复杂，但其重要性不容小觑。故意制造或偶然出现的缺陷会导致生物变异，这不仅解释了我们的进化过程，以及为什么不存在完全相同的两个生物体，也影响了我们的生活。但与技术不同的是，人们对生命科学领域的缺陷很少报以乐观的态度，对其影响多是一知半解的。
我对生活中的许多事物都充满激情，涵盖了物理实验、音乐、击剑和交友等领域。因此，能用一条清晰的脉络，颂扬材料缺陷所带来的诸多好处，将看起来迥然不同的领域整合并纳入一本书里，令我欣喜不已。我们所处理的视觉信息、声音信息和嗅觉信息等都存在缺陷。在音乐领域就可以找到证明缺陷之美的例子，因此在第15章，我详细讨论了因信息众多而大脑容量有限所导致的音乐怪事。
尽管技术本身令人着迷，我们对技术的解释和理解过程也令人钦佩，但遗憾的是，这方面的许多努力都花在了生产高级的军备和战争武器上，而战争可能会摧毁地球和人类自身。
当然，人类的行为从来都不完美，比如发动战争、贪婪掠夺等都是自私的行为，自私似乎深植于人们的心灵。对我来说，这些行为没有可取之处，我不会（事实上也不能）为其辩护。尽管如此，在最后几章中，我仍会提到它们。因为只有认识到这些行为的不足之处，才能探讨人类的进步。也许这是一种理想化的愿景，因为它可能与我们以往取得的成就相对立。
在生活、友谊与爱情等更加宏大的课题中，缺陷也非常重要，对此我毫不怀疑，但对其中任一课题的讨论都不是一件易事，因为这涉及高度个人化的意见。我曾在一本科学读物的开篇写过这样一句话：“水晶像人一样，因其不完美而有趣。”的确如此，但与科学研究不同的是，我们在挑选朋友、爱人或组建家庭时无法进行重复实验，也缺乏充足的统计数据。因此，由于个性和吸引力的来源太多，并随时间的推移而变化，对于人身上某些缺陷和不完美之处，我们很难对其准确定义和量化。还有一个小问题，如果我写得过于具体，我的朋友们可能会意识到书中描述的正是他们自己，并且他们也未必赞同我的看法。可以肯定的是，每个人都是独一无二的个体，以各种各样的方式度过人生之旅，一个人的缺点可能成为另一个人眼中的优点。例如，对他人的自私和冷漠在政客或公司董事身上可能是一种优点，但在亲密关系中可能会酿成灾难。这并不是现代才有的认识，包括尼科洛·马基雅维利（Niccolò Machiavelli）和亚伯拉罕·林肯（Abraham Lincoln）在内的很多人都提出过相同的看法。
在繁殖方面，缺陷使我们与众不同，并实现了世代之间的发展，即我们所谓的“进化”。这是我们能够应对气候和生物变化以及新疾病的重要原因。生殖上的“完美”意味着我们所有人完全相同，一成不变。这显然非常危险。事实上，许多物种之所以灭绝，正是因为无法适应不断变化的环境。不同领域的人士也就人类的缺陷发表过看法。玛丽莲·梦露（Marilyn Monroe）曾说：“不完美也是一种美。”言简意赅。温斯顿·丘吉尔（Winston Churchill）的评述则没有这么直接，他说：“完美主义让人瘫痪。”
毫无疑问，在尝试改进工艺材料的研究中，我认识到材料的缺陷、瑕疵和杂质对其性质至关重要。事实上，科学家和工程师并不是要制造“完美”的材料，而是控制和利用材料固有的和不可避免的缺陷，以达到特定的目的。热力学明确指出，任何“完美”状态都不可能实现。令人遗憾的是，像“不完美”或“缺陷”之类的感情色彩词，总会让理论家或象牙塔里的科学家和大众产生负面联想。我们应该发明一个更加正面的词。不过，我希望能够改变你对“不完美”的看法。
许多文章、图书和评论都指出，人类自身的缺陷有其价值。例如，近乎对称的脸往往被认为是最美的。但真实的人脸不可能百分之百对称。如果制作一张左右脸完全对称的肖像画，你会发现，这张脸会令人产生不安之感。利用计算机图形学，人们可以为卡通人物制作好看的、富有表现力的形象，也可以为电影和电视节目制作虚拟形象，但如果它们既逼真又对称，就会让人感到不安。因此，从业者会故意在形象上设计一些缺陷。在生活的其他方面，比如时尚领域，权威人士也宣称，过分完美不可取。乡村建筑、手工制品等也因其不完美而受到喜爱。不客气地说，我们对缺陷的喜爱，正是许多艺术家作品广受欢迎的原因之一。
相比之下，对于刻意被利用的缺陷，我们总能准确地解释它所带来的好处，以及能带来最佳性能的缺陷程度。对于无生命的晶体和材料，这么做的结果是可重复的、定量的并可通过实验检验。这些“缺陷”已成为贯穿所有产品的基本要素，从玻璃、钢铁到半导体。理解材料中缺陷与杂质的价值，是所有现代技术的基础，这一点怎么强调都不为过。对不从事科学研究的大众来说，与熟悉的情境进行类比会更容易理解。因此，在地质构造和矿物相关的内容中，我将利用类比的方法使其浅显易懂。
如图0.1所示，本书前几章的重点是那些早已确立的技术。我在一定程度上按照时间顺序介绍工具和材料，从使用木材和石器时代的工具开始，再到人们在金属和玻璃材料上取得的进展。它们的共同点是，这些材料的出现都得益于“不完美”。
图0.1 材料技术发展史中的重要事件与近代思想发展
在人类的早期历史中，我们主要关注木材或石头等材料，此外还有火的重要用途——加热材料。由此产生的意外结果是，材料发生变化，露出铜等金属并形成玻璃珠。于是，人类开始冶炼青铜、铁和其他金属合金。与此同时，熔炉也推动了各种玻璃和容器的制造。
这种简单的“加热”实际上非常复杂，因此我会以武士刀为例，证明人们在尚未了解科学细节的情况下也能取得重大进步。我们都很熟悉烹饪，但烹饪的结果千变万化，佐料与火候极其细微的改变，都有可能给菜品带来显著的提升。这个类比简单易懂，因为我们每天都在进行既基础又复杂的加热实验，即使不了解基础化学，也可以完成烹饪。
图0.1强调了自有记录以来，科学发展为人类生活带来的重大变化。因此，我用了几个章节的篇幅讨论了几项重要的新技术，如半导体、激光、光纤以及21世纪电子学和光学的现状与未来发展。我会详细介绍这些技术（好在它们的科学原理都不难）。我的偏见和个人经历，以及我自己的研究，大多简单易懂。这在一定程度上使写作变得更容易，但我也特意加入了一些在大众媒体和电视节目中较为少见的例子。
科学并不是完美的，因此我们应当对来自不同渠道的信息保持怀疑。在第5章中，我提醒读者注意已发布信息与统计数据的可信度。即使是可靠的数据也可以用多种方式呈现，这取决于数据的受众群体。表格、图表和数字常常遭到非相关专业人士（其中不乏科学家）的误读。不幸的是，一些政客对科学、数据和统计的了解很少。这是一个值得严肃对待的缺陷。也许曾任英国首相的乔治·坎宁（George Canning）是个例外，他在1827年说过：“除了真理，我能用统计数字证明任何事情。”
音乐也需要变化和差异。不同文化和不同时代的音乐品位与风格有所不同，但无论是音乐类型，还是演奏家和乐器，都体现了我们所欣赏的个性。同样，我们也接受乐器、音阶、录音和声音传输等设计上的固有缺陷，以及听觉和体验上的个人差异。实际上，这些“不完美”是赋予我们个性与乐趣的关键。同样，矿物和宝石也因其颜色和晶体形状上的缺陷而形成独特的美。
对电子学来说，人们对技术变革的突飞猛进仍然记忆犹新，最明显的就是半导体材料被应用于商业以后。很难想象，如果没有半导体材料，我们现在将如何生存。然而，由于半导体材料的商业潜力，我们投入了大量精力，更加深入地了解了缺陷在制造我们所需要的电子产品方面的作用。
在短短60年的时间里，新的玻璃产品已跃居技术的前沿，实现了光纤通信，促进了更加高效的电子设备和紧凑型激光源的出现。玻璃纤维是现代生活的关键要素，它的制造完全基于对缺陷的控制，同时也催生了一场通信革命，每年通过光纤传输的照片达到数十亿张。
对大多数人来说，这些变化似乎都是进步，但我要提出异议，因为我认为，在不久的将来可能会出现许多严重的问题。例证之一是，在从纸上或照片数据存储过渡到电子媒体动态范围的过程中，我们面临一个极大的危险，即数据存储的时间非常短暂。新系统可能无法保留历史记录、照片，甚至法律文件。进步也是有代价的，传输电子信件、照片、视频和下载资料等都需要电力。由此造成的一个后果就是大气中的二氧化碳增多。
在主流材料科学和物理学中，以纯光学加工为基础的新产品和新思想不断涌现，这一领域被称为“光子学”。在下文中，我会对该领域的未来发展给出一些线索和提示。
除了已经广泛宣传过的话题之外，还有许多其他领域也将对我们的生活产生影响，这种影响可能在25年以后才会显现。对这些领域来说，筹集资金所需要的宣传和炒作尚未达到预期的规模。我在书中给出的实例包括纳米粒子、室温超导体、石墨烯和聚变能等，但要控制和理解其本征缺陷非常困难。受篇幅所限，本书无法更加详细地解释个中缘由，但如果它们最终取得突破，成为有价值的产品，这也不足为奇。
虽然我是一名物理学家，但我也认识到缺陷在化学和现代生物学领域中都能发挥相似的优势。在化学和生物学方面，我只关注了几个话题，比如催化作用和缺陷在细胞繁殖中的价值。两者都是非常重要的话题。后者会影响进化与医疗干预的新方法。它们也会引发情绪反应，使科学难以与我们的生活、文化和偏见分开。
认识到个人和文化的缺陷，我们可以将其转化为优势，并像应用技术一样，将缺陷应用于我们的职业发展和社会关系。考虑到这一点，我用一章的篇幅探讨了一些关于科学进步、认可和声誉等现实问题的思考，这可能对科学家有所帮助，尤其是在其职业生涯早期。
总之，我所选取的例子并不需要读者事先掌握相应的科学知识。事实上，了解这些无生命材料的特征以后，我们也能在社会行为中看到相似的特点，在整个职业生涯和生活中，我们都能受益于此。即使对于种族、宗教以及我们如何在全球和个人层面上互动等情感话题，认识自身缺陷也是第一步。这对人类的延续至关重要。
最重要的是，“完美”这一社会概念本身就是有缺陷的、无法实现的，并且具有严重的破坏性。虽然生活的各个方面都可以不断改善，这些改善都是真实的、可能的和可取的，但完美是一种虚无的想象。要求达到某种终极的完美，只是为了激励我们在当前情况下不断改进。然而，终极完美往往会控制我们的活动并限制我们的逻辑思维。理解和应对这些有关终极完美的主张，比处理材料中的缺陷更具挑战性。认可了不完美之后，我们或许能创造一个更美好的世界。尽管这样的希望非常渺茫，但可以肯定的是，在个人层面，我们可以做出一些积极的改变，为生活带来更多快乐、满足和爱。
我没有把描述性的想法与科学解释分开，而是有意将两者结合在文本中。如果将两者完全分离，用方框将科学解释的部分单独框起来，我在阅读时往往会跳过困难的部分，我相信肯定不止我一人如此。我希望在本书的描述和类比中，没有“困难的部分”。