物质状态
-红军不怕远征难万水千山只等闲
2023年2月16日发(作者：致敬信)第1页
物质的10种物态
在自然界中，我们看到物质以各种各样的形态存在着：
花虫鸟兽、山河湖海、不同肤色的人种、各种美丽的建筑……
大到星球宇宙，小到分子、原子、电子等极微小的粒子，真
是千姿百态斗奇争艳。大自然自身的发展，造就了物质世界
这种绚丽多彩的宏伟场面。物质具体的存在形态有多少，这
的确是难以说清的。但是，经过物理学的研究，千姿百态的
物质都可以初步归纳为两种基本的存在形态：“实物”和
“场”。
“实物”具有的共同特点是：质量集中在某一空间，一般有
比较确定的界面（气体的界面虽然模糊，但它又是由一个个
实物粒子构成）。本文开头所举的各例都属于实物。
“场”则是看不见摸不着的物质，它可以充满全部空间，它
具有“可入性”。例如大家熟知的电磁波，它可以将电台天
线发射的信号通过空间传送到千家万户的收音机或电视机。
可以概括地说，“场”是实物之间进行相互作用的物质形态。
什么是“物态”呢？日常所知的固态、液态和气态就是三种
“物态”。为什么要有“物态”的概念？因为实物的具体形
态太多了，将它们归纳一下能否分成较少的几类？这就产生
了“物态”的概念。“物态”是按属性划分的实物存在的基
本形态，它都表现为大量微小物质粒子作为一个大的整体而
存在的集合状态。以往人们只知道有固态、液态和气态三种
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物态，随着科学的发展，在大自然中又发现了多种“物态”。
入类迄今知道的“物态”已达10余种之多。
日常生活中最常见的物质形态是固态、液态和气态，从构成
来说这类状态都是由分子或原子的集合形式决定的。由于分
子或原子在这三种物态中运动状况不同，而使我们看到了不
同的特征。
1.固态
严格地说，物理上的固态应当指“结晶态”，也就是各种各
样晶体所具有的状态。最常见的晶体是食盐（化学成份是氯
化钠，化学符号是NaCl）。你拿一粒食盐观察（最好是粗制
盐），可以看到它由许多立方形晶体构成。如果你到地质博
物馆还可以看到许多颜色、形状各异的规则晶体，十分漂亮。
物质在固态时的突出特征是有一定的体积和几何形状，在不
同方向上物理性质可以不同（称为“各向异性”）；有一定
的熔点，就是熔化时温度不变。
在固体中，分子或原子有规则地周期性排列着，就像我们全
体做操时，人与人之间都等距离地排列一样。每个人在一定
位置上运动，就像每个分子或原子在各自固定的位置上作振
动一样。我们将晶体的这种结构称为“空间点阵”结构。
2．液态
液体有流动性，把它放在什么形状的容器中它就有什么形状。
此外与固体不同，液体还有“各向同性”特点（不同方向上
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物理性质相同），这是因为，物体由固态变成液态的时候，
由于温度的升高使得分子或原子运动剧烈，而不可能再保
持原来的固定位置，于是就产生了流动。但这时分子或原子
间的吸引力还比较大，使它们不会分散远离，于是液体仍有
一定的体积。实际上，在液体内部许多小的区域仍存在类似
晶体的结构——“类晶区”。流动性是“类晶区”彼此间可
以移动形成的。我们打个比喻，在柏油路上送行的“车流”，
每辆汽车内的人是有固定位置的一个“类晶区”，而车与车
之间可以相对运动，这就造成了车队整体的流动。
3．气态
液体加热会变成气态。这时分子或原子运动更剧烈，“类晶
区”也不存在了。由于分子或原子间的距离增大，它们之间
的引力可以忽略，因此气态时主要表现为分子或原子各自的
无规则运动，这导致了我们所知的气体特性：有流动性，没
有固定的形状和体积，能自动地充满任何容器；容易压缩；
物理性质“各向同性”。
显然，液态是处于固态和气态之间的形态。
4．非晶态——特殊的固态
普通玻璃是固体吗？你一定会说，当然是固体。其实，它不
是处于固态（结晶态）。对这一点，你一定会奇怪。
这是因为玻璃与晶体有不同的性质和内部结构。
你可以做一个实验，将玻璃放在火中加热，随温度逐渐升高，
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它先变软，然后逐步地熔化。也就是说玻璃没有一个固定的
熔点。此外，它的物理性质也“各向同性”。这些都与晶体
不同。
经过研究，玻璃内部结构没有“空间点阵”特点，而与液态
的结构类似。只不过“类晶区”彼此不能移动，造成玻璃没
有流动性。我们将这种状态称为“非晶态”。
严格地说，“非晶态固体”不属于固体，因为固体专指晶体；
它可以看作一种极粘稠的液体。因此，“非晶态”可以作为
另一种物态提出来。
除普通玻璃外，“非晶态”固体还很多，常见的有橡胶、石
蜡、天然树脂、沥青和高分子塑料等。
5．液晶态——结晶态和液态之间的一种形态
“液晶”现在对我们已不陌生，它在电子表、计算器、手机、
传呼机、微型电脑和电视机等的文字和图形显示上得到了广
泛的应用。
“液晶”这种材料属于有机化合物，迄今人工合成的液晶已
达5000多种。
这种材料在一定温度范围内可以处于“液晶态”，就是既具
有液体的流动性，又具有晶体在光学性质上的“各向异性”。
它对外界因素（如热、电、光、压力等）的微小变化很敏感。
我们正是利用这些特性，使它在许多方面得到应用。
上述几种“物态”，在日常条件下我们都可以观察到。但是
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随着物理学实验技术的进步，在超高温、超低温、超高压等
条件下，又发现了一些新“物态”。
6．超高温下的等离子态
这是气体在约几百万度的极高温或在其它粒子强烈碰撞下
所呈现出的物态，这时，电子从原子中游离出来而成为自由
电子。等离子体就是一种被高度电离的气体，但是它又处于
与“气态”不同的“物态”——“等离子态”。
太阳及其它许多恒星是极炽热的星球，它们就是等离子体。
宇宙内大部分物质都是等离子体。地球上也有等离子体：高
空的电离层、闪电、极光等等。日光灯、水银灯里的电离气
体则是人造的等离子体。
7．超高压下的超固态
在140万大气压下，物质的原子就可能被“压碎”。电子全
部被“挤出”原子，形成电子气体，裸露的原子核紧密地排
列，物质密度极大，这就是超固态。一块乒乓球大小的超固
态物质，其质量至少在1000吨以上。
已有充分的根据说明，质量较小的恒星发展到后期阶段的白
矮星就处于这种超固态。它的平均密度是水的几万到一亿倍。
8．超高压下的中子态
在更高的温度和压力下，原子核也能被“压碎”。我们知道，
原子核由中子和质子组成，在更高的温度和压力下质子吸收
电子转化为中子，物质呈现出中子紧密排列的状态，称为
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“中子态”。
已经确认，中等质量（1.44～2倍太阳质量）的恒星发展到
后期阶段的“中子星”，是一种密度比白矮星还大的星球，
它的物态就是“中子态”。
更大质量恒星的后期，理论预言它们将演化为比中子星密度
更大的“黑洞”，目前还没有直接的观测证实它的存在。至
于“黑洞”中的超高压作用下物质又呈现什么物态，目前
一无所知，有待于今后的观测和研究。
物质在高温、高压下出现了反常的物态，那么在低温、超低
温下物质会不会也出现一些特殊的形态呢？下面讲到的两
种物态就是这类情况。
9．超导态
超导态是一些物质在超低温下出现的特殊物态。最先发现超
导现象的，是荷兰物理学家卡麦林·昂纳斯（1853～
1926年）。1911年夏天，他用水银做实验，发现温度降到
4.173K的时候（约-269℃），水银开始失去电阻。接着他又
发现许多材料都又有这种特性：在一定的临界温度（低温）
下失去电阻（请阅读“低温和超导研究的进展”专题）。卡
麦林·昂纳斯把某些物质在低温条件下表现出电阻
等于零的现象称为“超导”。超导体所处的物态就是“超导
态”，超导态在高效率输电、磁悬浮高速列车、高精度探测
仪器等方面将会给人类带来极大的益处。
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超导态的发现，尤其是它奇特的性质，引起全世界的关注，
人们纷纷投入了极大的力量研究超导，至今它仍是十分热门
的科研课题。目前发现的超导材料主要是一些金属、合金和
化合物，已不下几千种，它们各自对应有不同的“临界温
度”，目前最高的“临界温度”已达到130K（约零下143摄
氏度），各国科学家正在拼命努力向室温（300K或27℃）的
临界温度冲刺。
超导态物质的结构如何？目前理论研究还不成熟，有待继续
探索。
10．超流态
超流态是一种非常奇特的物理状态，目前所知，这种状态只
发生在超低温下的个别物质上。
1937年，前苏联物理学家彼得·列奥尼多维奇
·卡皮察（1894～1984年）惊奇地发现，当液态氦的
温度降到2.17K的时候，它就由原来液体的一般流动性突然
变化为“超流动性”：它可以无任何阻碍地通过连气体都无
法通过的极微小的孔或狭缝（线度约10万分之一厘米），还
可以沿着杯壁“爬”出杯口外。我们将具有超流动性的物态
称为“超流态”。但是目前只发现低于2.17K的液态氦有这
种物态。超流态下的物质结构，理论也在探索之中。
上面介绍的只是迄今发现的10种物态，有文献归纳说还存
在着更多种类的物态，例如：超离子态、辐射场态、量子场
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态，限于篇幅，这里就不一一列举了。我们相信，随着科学
的发展，我们一定会认识更多的物态，解开更多的谜，并利
用它们奇特的性质造福于人。