挑戰你想象的極限,物質的終極相態是什麼?

物:質生成的,有形態的,相對穩定的,物是可觀察的對象。物屬於一種現象,不可知物不屬於現象,因此不可知物不是物,而是與物並存的未知的X,X取名隱在。

相:狀態,影像,樣子,外表,形態,通像,象。一種物質在不同的能量密度環境(溫度和壓強)下會呈現不一樣的物態,你可以想象物可以消失變成另一種物,而這個變化過程當中體系遵從質能守恆定律。

挑戰你想象的極限,物質的終極相態是什麼?

物聚相態

物質存在狀態的基本認知。

固態是物質存在的一種熱力學平衡狀態。固體有比較固定的體積和形狀、質地比較堅硬。結合物體的微粒間距離很小,作用力很大。粒子在各自的平衡位置附近振動,固體能保持一定的體積和形狀,流動性差,一般不存在自由移動離子,它們的導電性通常由自由移動電子引起的。在受到不太大的外力作用時,固體的體積和形狀改變很小。

固體分為晶體和非晶體,晶體具有固定的熔化溫度,非晶體沒有固定的熔化溫度,其固態和液態之間的狀態被稱為“熔融”狀態。晶體是內部質點在三維空間呈週期性重複排列的固體。它擁有整齊規則的幾何外形。並擁有固定的熔點,在熔化過程中,溫度始終保持不變。非晶體是內部質點在三維空間不成周期性重複排列的固體,具有近程有序,但不具有長程有序,非液非固的狀態,不稀不硬的連體能夠拉扯。如玻璃外形為無規則形狀的固體,這一性質使得玻璃能夠加熱成“熔融”狀態吹制一些用具。常溫下的鋼鐵,黃金,白糖,冰塊和地殼岩石是固態的物質。

液態是在固態物質加熱到熔化成液體的狀態,具有流動性,把它放在什麼形狀的容器中它就有什麼形狀。這一性質可用於鑄造金屬器件,做個耐高溫的模具,把固體金屬物質熔化成液態倒進模具冷卻就可以成型。當液態物質分子間熱運動減小,小到分子間化學鍵可以形成,從而化學鍵在分子間占主導地位時,液體變為固體。離地表2900-4700km的地球內部是高溫液態的外地核,火山岩漿的噴發應該能減少熱脹引發大地震頻率和強度。

氣態是宇宙物質存在的一個主要狀態,當液態物體溫度升高導致分子劇烈運動,分子間的範德華力被打破時,物質由液態變為氣態;氣態物質比液體的流動性更強,態物質的原子或分子相互之間可以自由運動,在沒有外力牽制作用下可以自由擴散,氣體由於分子間空隙大可以體積被壓縮,準確的講氣態物質沒有可直接感知的“體”。氣態物質可以通過高壓強力使之聚集成液態物質,燃氣就是高壓的液化氣。宇宙中氫氣是能量波點聚集起來最簡單的物質,個人從物質的核聚變複雜程度考慮,由氫氣和氦氣為主構成的太陽形成時間可能晚於富含高結合能鐵的地球。

等離子態是一種普遍存在的狀態。原子達到幾千甚至上萬攝氏度時,物質原子內的電子在脫離原子核的吸引而形成帶負電的自由電子和帶正電的離子共存的狀態,此時,電子和離子帶的電荷相反,但數量相等,這種狀態稱作等離子態。宇宙中大部分發光的星球內部溫度和壓力都很高,這些星球內部的物質差不多都處於等離子態。用人工方式也可以產生等離子體,如霓虹燈放電、原子核聚變、紫外線和X射線照射氣體,都可以產生等離子體。只有相對低溫的行星和分散的星際物質裡才可以找到固態、液態和氣態的物質。

超固態是當物質處於在140萬左右大氣壓下,物質的原子就可能被“壓碎”。電子全部被“擠出”原子,形成電子氣體,裸露的原子核緊密地排列,物質密度極大,這就是超固態。一個乒乓球大小的超固態物質,其質量大於等於1000噸。

中子態:在超固態物質上再加上巨大的壓力,那麼原來已經擠得緊緊的原子核和電子,就不能再緊了,這時候原子核只好宣告解散,從裡面放出質子和中子。從原子核裡放出的質子,在極大的壓力下會和電子結合成為中子。這樣一來,物質的構造發生了根本的變化,原來是原子核和電子,現在卻都變成了中子。這種形態大部分存於一種叫“中子星”的星體中,它是由恆星晚年發生收縮而造成的,中子星質量和引力都很大,中子星體積很小、密度極大的星球。

反物質是英國量子物理學家保羅·狄拉克最早提出的反物質是正常物質的反狀態。當正反物質相遇時,雙方就會相互湮滅抵消,發生爆炸併產生巨大能量。正電子、負質子都是反粒子,它們跟通常所說的電子、質子相比較,電量相等但電性相反。科學家設想在宇宙中可能存在完全由反粒子構成的物質,也就是反物質。電子和反電子的質量相同,但有相反的電荷。質子與反質子也是這樣。粒子與反粒子不僅電荷相反,其他一切可以相反的性質也都相反。

挑戰你想象的極限,物質的終極相態是什麼?

狄拉克

在溫度低到接近理想的最低的絕對零度的環境下,物質還會出現玻色-愛因斯坦凝聚態和費米子凝聚態,玻色–愛因斯坦凝聚態是玻色子原子在冷卻到接近絕對零度所呈現出的一種氣態的、超流性的物質狀態(物態)。1995年,麻省理工學院的沃夫岡·凱特利與科羅拉多大學鮑爾德分校的埃裡克·康奈爾和卡爾·威曼使用氣態的銣原子在170 nK的低溫下首次獲得了玻色-愛因斯坦凝聚,並於2001年獲得諾獎。在這種狀態下,幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態,形成一個宏觀的量子狀態。物理學家朱棣文,曾因研究出激光冷卻和磁阱技術這一有效的製冷方法,而與另兩位科學家分享了1997年的諾貝爾物理學獎。

挑戰你想象的極限,物質的終極相態是什麼?

美國能源部長朱棣文

由於沒有任何2個費米子能擁有相同的量子態,費米子的凝聚一直被認為不可能實現。物理學家找到了一個克服以上障礙的方法,他們將費米子成對轉變成玻色子。這一研究為創造“費米子凝聚態”鋪平了道路。德博拉·金領導的聯合研究小組,將具有費米子特徵的鉀原子氣體冷卻到絕對零度以上的十億分之一度,此時鉀原子停止運動。絕對零度相當於一273.15℃。試驗中,科學家用激光方法遠遠達不到費米子凝聚所要求的溫度。為此,還要把原子放到“磁杯”中進行蒸發冷卻。他們將氣體約束在真空小室中,並採用磁場和激光使鉀原子配對,成功地創造出“費米子凝聚態”。

在超低溫環境下物質還有許多奇特的性質,導電無阻的超導性,無空不入的超流性,完全透光的超透性等等。除了以上的各種物態之外我猜想應該還有一些無象範疇的質態,能量子的波點態,意識信息的場波態,黑洞內的閉環態,這些是無法直接觀察,只能在已有的物質狀態下意象推理猜測。

物質的狀態和速度,溫度,壓強,場強之間的關係密切,大家可以參考前面的”能變有恆”章節中能量

環境決定物質狀態的闡釋。大量水分子速度過快就是高溫氣體的狀態,我們的生活環境下直接感受的是水溫度高。但在某個特定的溫度和壓強條件下水的固態、液態和氣態同時存在,這個特定的溫度和壓強稱之為三相點。水的三相狀態大體規律是溫度越低越聚集,壓強越低越分散。壓強越大,水汽能壓聚成水,高壓鍋就是通過水的這一特性提高水的沸點,使溫度升高達到使食物更熟的目的。只要壓強夠大,就連冰塊能壓成水。還有令我驚喜的一點是:壓強低到一定程度,常溫下水就會氣化,利用這一原理是理論上是可以發明個去大氣的降壓裝置,可以做成去液機,去水機,乾果機,乾衣機

挑戰你想象的極限,物質的終極相態是什麼?

水的三相態

在強大的外力場強下,物質的狀態一定會有相應的變化。那麼我想問物質有邊界嗎?《利理論》第一個章節就闡釋了宇宙中物質必須是相互作用的,永恆變化的,也就是說廣義上我認為萬物無界,可能大家容易理解視覺上物質的明顯邊界和概念特徵。力是物體與物體之間的作用表象,無壓強(準確講是沒有大氣壓)的太空中的水分子之間的吸引力還會有嗎?我們的經驗直覺並不能解釋很多更根本性的問題。愛因斯坦的等效原理在我看來是一種偉大的哲學思想,用加速度等同於重力場,用空間彎曲等同於力。萬有引力可不可以說是萬有斥力?液態水中的分子之間的吸引力會不會在無壓強時變成斥力。我們的感覺太受環境的演化限制了,達芬奇就表示過水中沒有重力,物質內部穩定就沒有力(合力為0)。

我此生最大的夢想是克服引力,不死在地球上,曝屍太空。我常常想我要是曝屍太空會是怎樣的結局,氣散爆裂還是冰封凍硬,是氣化完畢還是能留點渣渣?從宇宙太空現存的物質來看,是液態和氣態物質很難存在於太空中,結果很可能是一具像碳化的油渣子,嘎嘣脆。

地球上空氣的成分按體積計算大約是:氮氣佔78%、氧氣佔21%、稀有氣體佔0.94%、二氧化碳佔0.03%、其它氣體和雜質佔0.03%。巧合的是碳C,氮N,氧O在元素週期表中的原子序數是6、7、8。如果說太陽表面是大量氫氣,內部發光發熱是氫原子在發生核聚變反應,那麼生成物就會是原子序數更大,結合能更大的物質,地球上存在大量鐵元素就是個案例。我很好奇太陽內部存在什麼物質能夠吸引住高溫下容易逃逸的氫氣?地球的質量會怎麼變化?

萬物皆動,一切皆變,古希臘哲學家赫拉克利特有句經典表達:人不能兩次踏進同一條河流。萊布尼茨表示:世界上沒有完全相同的兩片樹葉。

“物性隨境”指什麼環境誕生什麼物質。要在溫度高達400多攝氏度,基本無大氣壓強,太陽引力場強偏大的環境下,水是很難存在水星上面的。這和達爾文的“物競天擇,適者生存’思想是同根同源的,我所要表達的是”天擇物質“就是更廣義的天演論,不僅適用於生物,還適用於一切物質。宇宙環境產生地球這類天體,地球產生水這類物質,水中孕育細胞這類活體,細胞進化成人種這類生命,而人類可能將創造新的能量體。能量物質的演化會不會越來越規則,熵增概念會不會是個錯誤?


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