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《紫薇经·哲学》物质

存在可分为有形存在和无形存在。可以用质量、体积、形状描述的存在称为有形存在,如:天体、动物、机械设备、分子、硬件等。不能用质量、体积、形状描述的存在称为无形存在,如:逻辑、意识、道德、软件等。有形存在是无形存在的载体。

物质是指有形存在。物质的存在形式此消彼长,循环演化。我们把大于分子的物质称为宏观物质,等于或小于分子的物质称为微观物质。宏观物质是由微观物质构成的。

物质是一个顶级抽象概念,没有具体指向。空气是物质,石头是物质,分子是物质,原子是物质,粒子是物质,汽车是物质,人也是物质,人是高级物质。

物质无限可分,但质量不能为零,质量为零就意味着不存在。

质量是指一定体积的物体所包含的物质数量。质量的标准计量单位是千克,法国科学院1791年规定:在标准大气压,4摄氏度时,1升(1立方分米)纯水的质量为1千克,并用铂铱合金制成原器,保存在巴黎,后称“国际千克原器”。

一切物质都具有质量和能量。一切物质,归根结底都是质量和能量的表现形式。

物质世界是一切物质的总和,物质世界包括自然界和人类社会。

从物质世界演进的过程看,自然界是先于人类而存在的,是人类社会产生、发展的前提和基础。人类社会是整个自然界的一个特殊部分,是随着人类的产生而出现的。人类社会是物质存在的最高形式,是人们在特定的物质资料生产基础上相互交往共同活动形成的各种关系的有机系统。

因为地球具备了独特的自然条件,所以成就了一个独特的世界。地球自然形成了有机分子——细胞——人类——人类社会。因为地球具备了生物存活的充分条件,所以在这种自然条件和环境中,原子开始了生化反应,原子根据自身的性质自发排列,最终产生了第一批可以自我复制的分子,而人类正是这些分子演进的造物。人类的出现是整个生物进化过程中发生的偶然事件(偶然是指不一定要发生而发生的),如果是必然事件(必然是指在一定条件下的不可避免性和确定性),就会重复出现。比如,恐龙最早出现在2亿3千万年前的三叠纪,灭亡于约6千5百万年前的白垩纪晚期,恐龙灭绝之后就没有再次出现。所以说,生物的进化是必然的,进化的结果是偶然的。

宇宙中不可能存在与地球一模一样的天体,但肯定广泛存在与地球相似的天体。地球以外不一定存在人类,但肯定广泛存在生物。

第一节 物质形态

物质形态是指物质存在的具体形式和状态。常见的物质形态是固态、液态、气态。

物质在固、液、气三态之间的变化称为物态变化。物态之间的变化伴随着吸热、放热。

固态

固体的特征:有一定的形状和体积,不能压缩,不能流动。

1.固体里的粒子是紧紧相扣,不易进行运动。固体是固定在物质里一个特定的空间。当有外力对物质施加作用时,固体以上型态会被扭曲,引致永久性变形。尽管任何固体都会有热能量,粒子间可以相互震动,此粒子运动却相对不那么剧烈,并不轻易靠感觉来观察。

通过其组成部分之间的相互作用,固体的特性可以与组成它的粒子的特性有很大的区别。研究固体的物理科学叫做固体物理学。

2.固体的膨胀和收缩

固体受热时会膨胀、遇冷时会收缩。

3.固体的熔化。固体达到熔点,会变为液态存在,其质量不改变。

固体的特殊状态:在140万大气压下固体会变为超固态,在超固态状态下继续加压即可会不变为中子态。

一个物体要达到一定的大小才能被称为固体,但对这个大小没有明确的规定。固体是由数量级为1023的粒子所结合成的宏观体系,是一个复杂的多体系统。固体的基态(即T=0K时的状态)不仅是能量最低的状态,而且还是某种有序状态。从微观角度分析,实验上所测得的宏观属性是固态在外扰动作用下,从基态跃迁到激发态时所产生的响应。

一般来说,固体是宏观物体,除一些特殊的低温物理学的现象,如超导现象、超液现象外,固体作为一个整体不显示微观力学的现象。

固体分为晶体、非晶体、准晶体。

1.晶体有规则的结构。如:糖,盐等 。

2.非晶体无规则的结构。如:橡胶、石蜡、天然树脂、沥青和高分子塑料等。

玻璃与晶体有不同的性质和内部结构。将玻璃放在火中加热,随温度逐渐升高,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。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”。

3.准晶体由大量结晶体或晶粒聚集而成,结晶体或晶粒本身有规则结构,但它们聚集成多晶固体时的排列方式是无规则的。

通过其组成部分之间的相互作用固体的特性可以与组成它的粒子的特性有很大的区别。研究固体的物理科学叫做固体物理学。

液态

液体的特征:有一定的体积,但没有一定的形状,不易压缩,能够流动。

液体与压力温度的关系:

液体的体积在压力及温度不变的环境下,是固定不变的。此外,液体对容器的边施加压力和和其他物态一样。这压力传送往四面八方,不但没有减少并且与深度一起增加(水越深,水压越大的原因)。

增温或减压一般能使液体气化,成为气体,例如将水加温成水蒸气。加压或降温一般能使液体固化,成为固体,例如将水减温成冰。然而,仅加压并不能使所有气体液化,如氧,氢,氦等。

液体与气压

当液体保持在一致的万有引力下,当压力为P时:

P=ρGH

式中,ρ=液体的密度(假设固定不变),G=地心吸力,H=中心点到液体表面。

弯曲液面下的附加压强

由于液体表面张力的存在,弯曲液面下液体的压强不同于平坦液面下液体的压强,这两者压强之差就成为"附加压强"。在凸状弯曲液面的情况下,附加压强为正值,凸状弯曲液面下液体的压强大于平坦液面下的液体压强;在凹状弯曲液面的情况下,附加压强为负值,凹状弯曲液面下液体的压强小于平坦液面下的液体压强。

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。

气态

气态的特征:没有一定的体积,也没有一定的形状,易压缩,可以流动。

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。

等离子态

原子是由原子核和电子组成的,通常情况下电子都围绕着原子核旋转。然而在几千摄氏度以上的高温中,气态的原子开始抛掉身上的电子,于是带负电的电子开始自由自在地游逛,而原子也成为带正电的离子。温度愈高,气体原子脱落的电子就愈多,这种现象叫做气体的电离化。科学家把电离化的气体,叫做"等离子态"。除了高温以外,用强大的紫外线、X射线和丙种射线来照射气体,也可以便气体转变成等离子态。也许你感到这种等离子态很稀罕吧!其实,在广漠无边的宇宙中,它是最普遍存在的一种形态。因为宇宙中大部分的发光的星球,它们内部的温度和压力都高极了,这些星球内部的物质几乎都处在等离子态。这是物质的第四种状态。

气体在约几百万度的极高温或在其他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”。

太阳及其他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,如: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。

液晶态

“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”。

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。

中子态

在更高的温度和压力下,原子核也能被“压碎”。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“中子态”。

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。

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有这种特性:在一定的临界温度(低温)下失去电阻。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。

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)。

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。

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,苏联物理学家彼得·列奥尼多维奇·卡皮察发现,当液态氦的温度降到2.17K时,就由原来液体的一般流动性突然变化为“超流动性”,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(约十万分之一厘米),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。

第二节 物质分类

物质的特征对比是物质分类的基本方法。特征对比就是异同的对比:“异”是区分种类的根据,“同”是合并种类的根据。分析特征,首先要考虑反映共同起源的共同特征,但有同源和非同源的不同。例如鸟类的翼和兽类的前肢是同源器管,可以追溯到共同的祖先,是“同源特征”。恒温在鸟兽是各别起源,并非来自共同祖先,是“非同源特征”。系统分类采用同源特征,不取非同源特征

物质世界分为:自然界和人类社会。

自然界可分为:矿物和生物。

矿物可分为:有机物和无机物。

生物分为:动物、植物和微生物。

生物级别分为:域、界、门、纲、目、科、属、种 。

天体按大小可分为:超星系团,星系团,星系群,星系,主星系,行星系,卫星。

人类社会按行政级别分为:国家、省、市、县、乡镇、社区。

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