第4节
材料科学之外的话题
缺陷无疑是材料科学的核心，但我认为，我们也有必要认识到它在其他学科中的重要性。因此，我将提供两个可能的例子。
也许应该考虑玻璃局部密度变化的实物证据的人是宇宙学家，因为他们试图理解整个宇宙的性质与组成。在他们的模型中，假设宇宙的平均密度和组成是恒定的。宇宙学家目前遇到的严峻问题是解释宇宙膨胀速度的明显增加，但他们缺少一个合适的驱动因素。为此，宇宙学家引入了一个新的量，称为“暗物质”。
请注意，就像“大爆炸”（Big Bang）一样，“暗物质”也只是一个理论，尽管它可能大致正确，但目前的趋势是，经过大量宣传和20年左右的教学，它被视为一个已经证实的事实。同样，暗物质是一个非常时髦的话题，人们投入巨大的精力和资金进行研究（因此它吸引了非常杰出的科学家，这些科学家又能筹集更多的资金），所有人都在寻找这种神秘的物质，并为发现者颁发相关的奖项。最近一些评论家提出，如果宇宙并非想象的那么均匀，而我们恰好处于密度较低的区域，那么一些问题就会迎刃而解，我们可能也不再需要暗物质。出于本能，我在“均匀”玻璃中的原子与“均匀”宇宙中的恒星和星系之间看到了一些相似之处。玻璃制造的经验和数据资料明确表明，玻璃只有在大范围内才有恒定的密度，而我们总能找到局部密度降低或增加的区域。也许宇宙中也存在某个未达到整体平均密度的局部区域。如果是这样，对宇宙学的类比可能意味着暗物质只是一个过渡概念，与早期广为流行的许多物质概念（如燃素或以太）属于同一类，人们曾一度认为这些物质存在于整个宇宙。在那个时代，这些物质概念是有意义的，但随着越来越多的实验与认知的进步，这些物质概念逐渐退出了历史的舞台。
恒星内部的缺陷
本章开篇简单解释了原子的构造。在地球上，这样的解释是合理的，但在宇宙中，许多原子无法存在，因为它们暴露在恒星内部的高压和高温下。事实上，恒星是所有元素的来源，较轻的原子核会结合成为较重的原子核。但最重的原子核或许只能起源于大规模或灾难性的恒星事件。在讨论原子的时候，我们关注的是原子中心的一个微小原子核，其中包括带正电的质子（写作p+）。为了形成一个完整的中性原子，低质量的电子（e-）会围绕原子核运动。为方便起见，我们可以将电子视为围绕太阳公转的行星，但实际上，电子的运动更加复杂，用波来描述更加恰当。最简单的原子是中性氢原子（p++e-）。还有一些与质子质量相近且不带电的粒子，称为中子（n0）。氢原子核可以与一个或两个中子结合，形成不同的同位素，称为氘（p++n0）或氚（p++2n0）。氚不稳定，存在时间有限，半衰期约为12.3年。
对其他所有元素来说，中子是必不可少的，因为一个原子核内不可能只有两个质子，质子之间的静电排斥会使它们分裂。但粒子之间的引力和其他核力可以使它们结合。因此，添加中子可以构成更重的原子核。原子核质量第二轻的是氦-3（2p++n0）。在其他具有稳定同位素的元素中，至少会有中子数与质子数相同的情况，而铀等较重的元素则需要更多的中子。离开地球，在太阳等恒星的核心，巨大的质量意味着核心的压力可能超过2500亿个大气压！在这种极端条件下，原子无法存在，原子核直接相互作用。例如，氢原子核可以与氦-3原子核结合，形成常规的氦-4原子核。但在电荷方面会出现问题，因此需要将质子转化为中子，再加上一些主要的相关原子核反应。根据爱因斯坦质能方程E=mc2（c指光速），组合的重要结果是将多余的质量转化为能量。我们认为，这个简单的组合在太阳中产生了大约40%的核心能量，并使内部温度接近700万摄氏度。另一种方法是四个质子（即四个氢原子核）聚变成一个氦原子核（2p++2n0），我们也称为α粒子。在这一过程中会释放出各种其他的核碎片（正电子和中微子）以及大量的热能。
太阳是一颗普通的恒星，但在核活动强烈的中心区域与温度略低的表面（可能存在我们所“熟悉”的原子）之间，混合了各种各样的情况。这意味着有的区域不能应用我们所熟悉的科学，也不存在纯粹的核物理区。因此，从结构和主流科学的角度来说，这个区域充满了缺陷和复杂性。