物理-名词-物质：百科

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物质为构成宇宙间一切物体的实物和场。例如空气和水，食物和棉布，煤炭和石油，钢铁和铜、铝，以及人工合成的各种纤维、塑料等等，都是物质。世界上，我们周围所有的客观存在都是物质。人体本身也是物质。除这些实物之外，光、电磁场等也是物质，它们是以场的形式出现的物质。物质的种类形态万千，物质的性质多种多样。气体状态的物质，液体状态的物质或固体状态的物质；单质、化合物或混合物；金属和非金属；矿物与合金；无机物和有机物；天然存在的物质和人工合成的物质；无生命的物质与生命物质以及实体物质和场物质等等。物质的种类虽多，但它们有其特性，那就是客观存在，并能够被观测，以及都具有质量和能量。

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中文名：物质

外文名：matter

类    别：物理学名词

目录

1. 1 物质种类
2. 2 物质形态
3. 3 守恒定律
4. 4 基本结构

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物质种类

常见的物质存在状态有六种：固态、液态、气态、等离子态、超固态、中子态。不过实验技术的进步产生了许多新的物质状态，像是玻色–爱因斯坦凝聚及费米子凝聚态。对于基本粒子的研究也产生了新的物质状态，像是夸克-胶子浆。在自然科学的历史中，许多人都在研究物质的确切性质，物质是由许多离散组件组合而成的概念，即所谓的“物质粒子论”，最早是由希腊哲学家留基伯（~490 BC）及德谟克利特（~470–380 BC）提出。

所有可以用肉眼看到的物体都是由原子组成，而原子是由互相作用的次原子粒子所组成，其中包括由质子和中子组成的原子核，以及许多电子组成的电子云 。 一般而言科学上会将上述的复合粒子视为物质，因为他们具有静止质量及体积。相对的，像光子等无质量粒子（英语：massless particle）一般不视为物质。不过不是所有具有静止质量的粒子都有古典定义下的体积，像夸克及轻子等粒子一般会视为质点，不具有大小及体积。而夸克和轻子之间的交互作用才使得质子和中子有所谓的体积，也使得一般物体有体积。爱因斯坦证明所有物体都可以转换为能量（即质能等价），之间的关系式即为著名的E = mc2，其中E为能量，m为质量，c为光速，其数值为299792458 m/s。因此很小的质量可以转换为很大的能量，例如正子和电子（都是物质）可以转换为非物质的光子。不过虽然在这些过程中可以产生或是湮灭物质，但是物质及能量的总和（透过E = mc2转换）却不会改变。

宏观而言，物质的种类万千，性质多样。气体状态的物质，液体状态的物质或固体状态的物质；单质、化合物或混合物；金属和非金属；矿物与合金；无机物和有机物；天然存在的物质和人工合成的物质；无生命的物质与生命物质以及实体物质和场物质等等。物质的种类虽多，但它们有其特性，那就是客观存在，并能够被观测，以及都具有质量和能量。

物质与物件的区别

就内涵方面而言，物质是永不均匀满布于时、空中的填充内容，其唯一属性是质量。就外延方面而言，物质指所有的物件，包括“精神物件”与“现实物件”。“宇宙”三要素为时间、空间、质量。其中质量与空间是物件的基本属性，而质量与空间及时间都是事件的基本属性。

 

物质形态

物质状态的变化

物理学上物质有六种存在形态：固态、液态、气态、等离子态、玻色-爱因斯坦凝聚态、费米子凝聚态。固态物质具有形状和体积，它们的分子紧紧地结合在一起。液态物质也有体积，但没有形状，相比之下，它们的分子结合得要松散一些，因而液体可以被倾倒到一个容器中以测量它们的体积。气体既没有体积也没有形状，它们的分子会自由地移动，从而充满任何一个可以封闭它们的容器。等离子态是由等量的带负电的电子和带正电的离子组成。玻色-爱因斯坦凝聚态表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态（一般是基态）。即处于不同状态的原子“凝聚”到了同一种状态。

气态物质

我们的生活空间被大量气体包围着。许多古人观察到：风能够将较细的树干吹弯了腰，烧开的水中会冒出气泡。因此早期的哲学家相信有一种称为“空气”的元素存在，并具有上升的倾向。17 世纪时，托里切利证明空气和固体、液体一样具有重量。到了18世纪，化学家证明了空气是多种气体的混合物，并且在化学反应中发现了许多气体。这些新发现的气体立刻就有了实际的应用，例如从煤中提炼出的气体就可以产生光与热。

液态物质

液体的粒子会互相吸引而且离得很近，所以不易将固定体积的液体压缩成更小的体积或是拉大成更大的体积。受热时，液体粒子间的距离通常都会增加，因而造成体积膨胀。当液体冷却时，则会发生相反的效应而使体积收缩。液体可以溶解某些固体，例如将食盐放入水中，食盐颗粒好像会渐渐消失。其实是因为食盐溶于水后电离出钠离子与氯离子，并均匀分布在水中，形成一种水溶液。此外，液体还可以溶解气体或其他液体。

固态物质

固态物质具有固定的形状，液体和气体则没有。想要改变固体的形状，就必须对它施力。例如挤压或拉长可以改变固体的体积，但通常变化不会太大。大部分固体加热到某种程度都会变成液体，若是温度继续升高则会变成气体。不过有些固体在受热之后就会分解，例如石灰石。晶体与金属是最重要的两种固体。

等离子态物质

将气体加热，当其原子达到几千甚至上万摄氏度时，电子就会被原子"甩"掉，原子变成只带正电荷的离子。此时，电子和离子带的电荷相反，但数量相等，这种状态称做等离子态。人们常年看到的闪电、流星以及荧光灯点燃时，都是处于等离子态。人类可以利用它放出大量能量产生的高温，切割金属、制造半导体元件、进行特殊的化学反应等. 在茫茫无际的宇宙空间里，等离子态是一种普遍存在的状态。宇宙中大部分发光的星球内部温度和压力都很高，这些星球内部的物质差不多都处于等离子态。宇宙中绝大部分物质都处于等离子态，固液气才是真正的比较稀少的物质状态。只有那些昏暗的行星和分散的星际物质里才可以找到固态、液态和气态的物质。

凝聚态物质

玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）是科学巨匠爱因斯坦在70年前预言的一种新物态。这里的“凝聚” 与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态（一般是基态）。即处于不同状态的原子“凝聚”到了同一种状态。

这个新的第五态的发现还得从1924年说起，那一年，年轻的印度物理学家玻色寄给爱因斯坦一篇论文，提出了一种关于原子的新的理论，在传统理论中，人们假定一个体系中所有的原子（或分子）都是可以辨别的，我们可以给一个原子取名张三，另一个取名李四，并且不会将张三认成李四，也不会将李四认成张三。然而玻色却挑战了上面的假定，认为在原子尺度上我们根本不可能区分两个同类原子（如两个氧原子）有什么不同。

玻色的论文引起了爱因斯坦的高度重视，他将玻色的理论用于原子气体中，进而推测，在正常温度下，原子可以处于任何一个能级（能级是指原子的能量像台阶一样从低到高排列），但在非常低的温度下，大部分原子会突然跌落到最低的能级上，就好像一座突然坍塌的大楼一样。处于这种状态的大量原子的行为像一个大超级原子。打个比方，练兵场上散乱的士兵突然接到指挥官的命令“向前齐步走”，于是他们迅速集合起来，像一个士兵一样整齐地向前走去。后来物理界将物质的这一状态称为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC），它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。这就是崭新的玻爱凝聚态。

费米子凝聚态

根据“费米子凝聚态”研究小组负责人德博拉·金的介绍， “费米子凝聚态”与“玻色一爱因斯坦凝聚态”都是物质在量子状态下的形态，但处于“费米子凝聚态”的物质不是超导体。

量子力学认为，粒子按其在高密度或低温度时集体行为可以分成两大类：一类是费米子，得名于意大利物理学家费米；另一类是玻色子，得名于印度物理学家玻色。这两类粒子特性的区别，在极低温时表现得最为明显：玻色子全部聚集在同一量子态上，费米子则与之相反，更像是“个人主义者”，各自占据着不同的量子态。“玻色一爱因斯坦凝聚态”物质由玻色子构成，其行为像一个大超级原子，而“费米子凝聚态”物质采用的是费米子。当物质冷却时，费米子逐渐占据最低能态，但它们处在不同的能态上，就像人群涌向一段狭窄的楼梯，这种状态称作“费米子凝聚态”。

 

守恒定律

1．早期的“质量守恒定律”（质能关系之前）

在化学反应中，参加反应前各物质的质量总和等于反应后生成各物质的质量总和。这个规律就叫做质量守恒定律（Law of conservation of mass）。

在任何与周围隔绝的体系中，不论发生何种变化或过程，其总质量始终保持不变。或者说，任何变化包括化学反应和核反应都不能消除物质，只是改变了物质的原有形态或结构，所以该定律又称物质不灭定律。

2．“能量守恒定律”

3．爱因斯坦的“质能关系”

4．“信息守恒”（邓宇等）

 

基本结构

物质不依赖于意识而又能为人的意识所反映的客观实在。运动是物质的根本属性，时间和空间则是运动着的物质的存在形式。自然界和社会的一切形象，都是运动着的物质的存在形式。由同一种分子组成的物的最小单位简而言之，就是组成各种形态，生命，乃至宇宙，的基本元素。

简单点说就是实物粒子和场统称物质或者有能量（质量）的统称物质。

物质的本源是单位空间的运动，也可以说是量子的运动，因为我们知道任何物质的运动都会增加质量，速度接近光速会越发明显，比如电子的自旋，在一定小空间的运动形成了质量，E=mc²》m=E/c²，质量也就是物质了，任何物质都是运动的光子（量子）组成的，而静止的光子是没有质量的，质量和能量的转换公式为E=mc²，所以反过来思考，物质的本源就是没有质量的空间（量子）接近光速的运动，而把物质完全转化为能量的是正反物质的湮灭，所以任何物质都不是实体，只要条件合适，都可以穿越，之所以有支持力等等，都是空间之间的电磁场的排斥，光子照在形成物质的空间上也会反射，就看见了物体，手触摸的时候，手的粒子和物体的粒子场力相互排斥，不然手就会穿过物体，所以任何物质都是虚无的，只是空间在相互作用（电磁力万有引力等等）大质量的物质万有引力场越发明显，小质量比如夸克质子只在原子核层面形成效应，所以物质也是一种波，可以互相穿过。

世界是由物质构成的，物质通常是有结构的，但是物质结构在层次上是否具有基本单元，即德谟克利特式的“原子”是否存在？这是一个长期反复争论而又常新的课题。当代几种不同的量子引力，尽管对某些问题存在着不同的见解，但是关于这个问题从实质上来看，却给出了一致肯定的回答。

超弦/M理论和圈量子引力是异曲同工的，都认为尺度为普朗克长度（10^-33厘米）的小圈是物质和空间微观结构基本单元。

普朗克长度是由引力常数、光速和普朗克常数决定的，它大致等于10的-33次方厘米，是一个质子大小的10的20次方分之一。

普朗克长度l=Gh/c^3=10^-33厘米

其中G为引力常数，h为普朗克常数，c为光速

超弦/M理论认为，构成我们世界的物质微观基本单元是具有广延性的弦和brane（膜），并非所谓的只有位置没有大小的数学抽象点粒子。粒子物理学标准模型中的 粒子，都是弦或brane（膜）的激发。弦和brane（膜）的线度是有限短的普朗克长度，它们正是构成我们世界的物质基本单元，即德谟克利特式的“原子”，这 是超弦/M理论为现今所有粒子提供的本体性统一。

圈量子引力给出了在普朗克标度面积和体积的量子化性质，即断续的本征值谱，面积和体积分别存在着最小值。由于在圈量子引力中，脱离引力场的背景空间 是不存在的，而引子场是物质的一种形态，因此脱离物质的纯粹空间也就是不存在的。空间体积和面积的不连续性和基本单元的存在，正是物质微观结构的断续性和 基本单元的存在性的最有力论据。

总之，超弦/M理论和圈量子引力从不同的侧面，对量子引力的本质和规律作出了一定的揭示，它们在普朗克长度（10^-33厘米）领域一致地得出了空间量子化和物质微观结构基本单元存在的结论。这无疑是人们在20世纪末期对我们世界空间时间经典观念的重大突破，也是广义相对论和量子力学统合的成果；同时更是辩证唯物主义哲学上关于空间和时间是物质存在的客观形式，没有无物质的空间和时间，也没有无空间和时间的物质学说的一曲凯歌！

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