《宇宙新论 之 天地本源》

（杨建立著）

第五章 物态与能

 

    在世界上，我们周围所有能感知的客观存在都是物质。物质的种类繁多，形态万千，性质多种多样。气体状态的物质，液体状态的物质、固体状态的物质；单质、化合物、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；无生命的物质与有生命的物质，以及实体物质和场物质等等。物质的种类虽多，但它们各自都处于一定的物质状态，也就是客观存在，并能够被观测，一般都具有质量和能量。

物质状态

    自然界可见的物质状态有六种：固态、液态、气态、等离子态、超固态、中子态。随着实验技术的进步，产生了一些新的物质状态，像是玻色–爱因斯坦凝聚态及费米子凝聚态。对于基本粒子的研究也产生了新的物质状态，像是夸克-胶子浆等。

    固态。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。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；有一定的熔点，固体熔化时温度稳定不变。

    在固体中，分子或原子有规则地周期性排列着，就像我们集体做操时，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做振动一样。我们将晶体的这种结构称为“空间点阵”结构。

 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，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加剧，而不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”彼此间可以位移形成的。我们打个比喻，好似在柏油路上送行的“车流”，汽车内的人是有固定位置的，每辆车就是一个“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。液体加热达到一定阈值（沸点），会汽化变成气态。这时分子或原子运动更剧烈，“类晶区”也不复存在了。由于分子或原子间的距离增大，它们之间的引力变小，几乎可以忽略，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”。

    以上三种物质形态是我们地球上常见的物质三种形态。

 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，也可以说是电子脱离了原子核的束缚，于是带负电的电子开始自由自在地游逛，而原子核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，也可以使气体转变成等离子态。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极高，这些星球上很大一部分的物质处在等离子态。这是物质的第四种状态。处于等离子态的物质，电子与原子核“身首异处”，彼此离开。

 超固态。在白矮星里面，压力和温度更高了。在几百吉帕气压的压力下，不但原子之间的空隙被挤压得消失了，就是原子外围的电子层也都被压碎了，所有的原子核和电子都紧紧地挤在一起，这时候物质里面就不再有什么空隙，这样的物质，科学家把它叫做“超固态”。白矮星的内部就是充满这样的超固态物质。在我们居住着的地球的中心，那里的压力达到350吉帕左右，因此也可能存在着一定的超固态物质。一块乒乓球大小的超固态物质，其质量至少在1000吨以上。

 中子态。假如在超固态物质上再加上巨大的压力，那么原来已经紧紧挤在一起的原子核和电子，已经不可能再更加紧密了。而强大的压力会使得原子核宣告解散，从里面放出质子和中子。从原子核里放出的质子，在极大的压力下会和电子结合成为中子。这样一来，物质的构造发生了根本的变化，原来是原子核和电子，都已经不复存在，现在都变成了纯中子。这样的状态，叫做“中子态”。中子态物质的密度更大，比超固态物质还要大十多万倍。一个火柴盒那么大的中子态物质，重30亿吨。在宇宙中，只有中子星和大质量的恒星内部，才可能具有这种形态的物质存在。

     还有些其他的物质状态，就是在实验室产生的新物质状态：玻色–爱因斯坦凝聚态、费米子凝聚态等。另外，还有两种可能的物质状态，一个是存在于理论假说“夸克星”中的“夸克态”，另一种一是存在于“黑洞”中的极端致密态。

能量

    能量（energy）是质量的时空分布可能变化程度的度量,用来表征物理系统做功的本领，简称“能”。世界万物是不断运动的，在物质的一切属性中，运动是最基本的属性，其他属性都是运动的具体表现。现代物理学已明确了质量与能量之间的数量关系，即爱因斯坦的质能关系式：E=mc2。

    能量以多种不同的形式存在；按照物质的不同运动形式分类，能量可分为机械能、化学能、热能、电能、辐射能、核能、光能、潮汐能等。这些不同形式的能量之间可以通过物理效应或化学反应而相互转化。

    在机械运动中表现为物体或体系整体的机械能，如动能、势能、声能等。在热现象中表现为系统的内能，它是系统内各分子无规则运动的动能、分子间相互作用的势能、原子和原子核内的能量的总和，但不包括系统整体运动的机械能。对于热运动能（热能），人们是通过它与机械能的相互转换而认识的。

    一个物体所含的总能量奠基于其总质量，能量同质量一样既不会凭空产生，也不会凭空消灭。能量和质量一样都是标量。在国际单位制（SI）中，能量的单位是焦耳，但有时使用其他单位如千瓦·时和千卡，这些也是功的单位。能量是用以衡量所有物质运动规模的统一量度。

    能量可以不用表现为物质动能或是电磁能的方式而储存在一个系统中。当粒子在与其有相互作用的一个场中移动一段距离（需借由一个外力来移动），此粒子移动到这个场的新的位置所需的能量便被储存了。当然粒子必须借由外力才能保持在新位置上，否则其所处在的场会借由推或者是拉的方式让粒子回到原来的状态。这种借由粒子在力场中改变位置而储存的能量就称为位能（势能）。一个简单的例子就是在重力场中往上提升一个物体到某一高度所需要做的功就是位能（势能）。

    任何形式的能量可以转换成另一种形式。比如，当物体在力场中自由移动到不同的位置时，位能可以转化成动能。当能量是属于非热能的形式时，它转化成其他种类的能量的效率可以很高甚至是完美的转换，包括电力或者新的物质粒子的产生。然而如果是热能的话，则在转换成另一种形态时，就如同热力学第二定律所描述的，总会有转换效率的限制。

    在所有能量转换的过程中，总能量保持不变，原因在于总系统的能量是在各系统间做能量的转移，当从某个系统间损失能量，必定会有另一个系统得到这损失的能量，导致失去和获得达成平衡，所以总能量不改变。这个能量守恒定律，是在19世纪初提出，并应用于任何一个孤立系统。根据诺特定理，能量守恒是由于物理定律不会随时间而改变所得到的自然结果。

    虽然一个系统的总能量，不会随时间改变，但其能量的值，可能会因为参考系而有所不同。例如一个坐在飞机里的乘客，相对于飞机其动能为零；但是相对于地球来说，动能却不为零，也不能以单独动量去与地球相比较。

    能量形式

    力学中的能有动能、势能、化学能、热能、电能、辐射能、核能。

    动能是物体由于作机械运动而具有的能。根据动能定理，运动的物体如受到阻碍而减速直到停止以前，物体就会对障碍物做功。所作的功的量等于物体原有动能的量。

    势能是指物体（或系统）由于位置或位形而具有的能。   一般力学中常见的三种势能：重力势能、引力势能、弹性力势能。

    化学能是物质发生化学变化时释放或吸收的能量。其本质是原子的外层电子变动，导致电子结合能改变而放出或吸收的能量。

    热能是物质内部原子分子热运动的动能，温度愈高的物质所包含的热能愈大。蒸汽机是膨胀的水蒸气把它的热能变成了蒸汽机的动能。

    电能是正负电荷之间由于电力作用所具有的（电）势能，可以用电场强度表达出来。

    辐射能是指光和电磁波的能量（光子的能量）。

    核能是原子核内核子的结合能，它可以在原子核裂变或聚变反应中释放出来变成热能和反应生成物的动能。

物态变化

    物质的状态在一定条件下可以相互转化。

    给气态物质加压，气体分子间距被压缩，分子之间碰撞加剧，气体温度会上升。如果持续增加压力，气体温度也随之持续升高。施加的压力达到一定阈值，气体液化为液体。

    如果这一系统是孤立的，与外界隔绝热交换（系统对外不放热）。那么，当压力解除之后，液体会迅速挥发成为气态。如果此系统与外界发生热量交换（系统对外放热），液体温度会降低，系统失去了部分能量。当降低压力时，液体内部储存的热量不足以支撑液体全部挥发，物质只有部分挥发为气态，另一部分保持液态不变。

    与气体液化同样道理，液体物质在加压、降温时，达到一定阈值（凝固点）时会凝结变为固态。

    反之亦然，固体物质加热、降压当达到物质的熔点后会由固态液化成为液态。液态物质加热、降压，达到物质的沸点后会由液态蒸发汽化成为气态。不同化学成分的物质，有不同的熔点和沸点。

    这是地球上常见气态、液态、固态物质状态变化的规律。是物理课上讲述的常识。最典型的是水蒸气、水与冰。

    从这里可以看到，物质状态变化，除了受到组成物质的化学成分影响之外，主要取决于物质所处环境温度和压力。

    等离子态在实验室条件下可以制造出来。超固态、中子态在地球上，在日常生活没有，只能在恒星内部的极端条件下才可能存在。

    但不论是地球上常见的气体、液体、固体的物态变化，还是在不寻常的条件下存在的等离子态、超固态、中子态，亦或是理论中的“夸克态”以及黑洞中的极端致密态，物质之间的物态变化过程中，都会伴随着物质内禀能量的增减和压力的变化。

    在任何与周围隔绝的孤立体系中，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。

    在普通化学和物理变化（不涉及核聚变、核裂变）这一层次上，独立系统的能量也是守恒的。

能量守恒定律

    能量必须遵守能量守恒定律。根据这个定律，能量只能从一种形式变为另一种形式而无法凭空产生或者是消灭。能量守恒是时间的平移对称性（平移不变性）得出的数学结论。

    根据能量守恒定律，流入的能量等于流出的能量加上内能变化。

    此定律是物理学中相当基本的判据。依照时间的平移对称性（平移不变性），物理定律（定理）在任何时间都成立。

    能量守恒定律是许多物理定律的特征。以数学的观点来看，能量守恒是诺特定理的结果。如果物理系统在时间平移时满足连续对称，则其能量守恒。相反的，若物理系统在时间平移时无对称性，则其能量不守恒，但若考虑此系统和另一个系统交换能量，而合成的较大系统不随时间改变，这个较大系统的能量就会守恒。由于任何时变系统都可以放在一个较大的非时变系统中，因此可以借由适当的重新定义能量来达到能量的守恒。对于平坦时空下的物理理论，由于量子力学允许短时间内的不守恒（例如正-反粒子对），所以在量子力学中并不遵守能量守恒，而在狭义相对论中能量守恒定律会转换为质能守恒定律。

    人们根据大量实验确认了能量守恒定律，即不同形式能量之间相互转换时，其量值守恒。焦耳热功当量实验是早期确认能量守恒定律的有名实验，而后在宏观领域内建立了能量转换与守恒的热力学第一定律。康普顿效应确认能量守恒定律在微观世界仍然正确，后又逐步认识到能量守恒定律是由时间平移不变性决定的，从而使它成为物理学中的普遍定律。在一个封闭的力学系统中，如果没有机械能与其他形式能量之间相互转换时，则机械能守恒。机械能守恒定律是能量守恒定律的一个特例。

    应当注意，能量这一概念有其应用范围，根据广义相对论，在一定条件下就不再能使用能量这种量度。
    狭义相对论中的相对论性力学要比牛顿力学更精确地描写了物质的力学运动规律。质能关系（E=mc^2）把惯性质量与能量联系起来；因此，相应于静质量、动质量、相对论质量（总质量）有静能量（固有能量）、动能、总能量。

    机械能、化学能、热能、电（磁）能、辐射能、核能等不同类型的能量之间相互转化的方式多种多样。例如，最常见的电能（交流电和电池）可以由多种其他形式的能量转变而来，如机械能–电能的转变（风力、水力发电）、核能–热能–机械能–电能的转变（核能发电）、化学能–电能的转变（电池）等。不同类型能量之间可以相互转化。

    因此只要观测者的参考系没有改变，狭义相对论中能量对时间的守恒性仍然成立，整个系统的能量仍然不变，位在不同参考系下的观测者会量测的能量大小不同，但各观测者量到的能量数值都不会随时间改变。不变质量由能量-动量关系式所定义，是所有观测者可以观测到的系统质量和能量的最小值，不变质量也会守恒，而且各观测者量测到的数值均相同。

    在核反应层面上，由于发生了原子核的聚变或裂变，聚变或裂变后的生成物，总质量发生了变化，总能量发生了也相应变化，质能转化遵循一定规律，就是“质能守恒定律”。

质能守恒定律

    质能守恒定律是指在一个孤立系统内，所有粒子的动能与静能之和在相互作用过程中保持不变。质能守恒定律是能量守恒定律的特殊形式。

    在狭义相对论中，质能公式E=mc^2描述了质量与能量对应关系。在经典力学中，质量和能量之间是相互独立的，但在相对论力学中，能量和质量是物体力学性质的两个方面的同一表征。在相对论中质量被扩展为质量-能量。原来在经典力学中独立的质量守恒和能量守恒结合成为统一的质能守恒定律，充分反映了物质和运动的统一性。

    在一定条件下，放射性重元素会发生核裂变，生成两个新的原子核，同时释放出大量能量。这就是“核电站”和“原子弹”的工作原理。核裂变后生成的新的核素，总质量会减少。原子弹爆炸，大约有百分之一的质量转化为能量。

    在一定条件下，氢元素会发生核聚变，形成氦元素，同时释放出更加强大的能量。这是“人造太阳”和“氢弹”的工作原理。氢弹爆炸，大约有百分之三的质量转化为能量。

    在比氢弹爆炸所需的更高温度、更大压力条件下，较轻的元素（如氦元素）还会继续发生聚变反应，形成更大的原子核（如碳、氧元素），进一步消耗物质的质量，以光和热等形式释放巨大的能量。

    物质都有一定的质量和能量，质量和能量是物质的两个基本属性，我们把物质所含的内禀能量和质量分别看做物质的“阳”与“阴”，那么质量与能量的关系，非常贴合我们古老的阴阳理论。

阴阳学说

    阴阳五行学说是中国古代人民创造的朴素的辨证唯物的哲学思想。这种学说对后来的古代哲学有着深远的影响，如中国的天文学、气象学、化学、算学、音乐和医学，都是在阴阳五行学说的协助下发展起来的。

    任何事物均可以用阴阳来划分，凡是运动着的、外向的、上升的、温热的、明亮的都属于阳；相对静止的、内守的、下降的、寒冷的、晦暗的都属于阴。我们把物质内禀能量归于阳，把物质的质量归于阴。阴阳是相互关联的一种事物或是一个事物的两个方面。

阴阳学说

    阴阳学说认为：自然界任何事物或现象都包含着既相互对立，又互根互用的阴阳两个方面。阴阳是对相关事物或现象相对属性或同一事物内部对立双方属性的概括。阴阳学说认为：阴阳之间的对立制约、互根互用，并不是处于静止和不变的状态，而是始终处于不断的运动变化之中。

    相对性

    阴阳的相对性指各种事物或现象的阴阳属性不是一成不变的，在一定条件下可相互转化。如：我国中原地区十月份的气候较之炎夏的七月份，属阴；但较之严冬的十二月份，又属阳。液态的水，较之一百摄氏度的水蒸汽，属阴；较之摄氏零度以下的冰，则属阳。

    阴阳相成

    阴阳的互根互用关系古人称之为阴阳相成，1.指凡阴阳皆相互依存，即阴和阳任何一方都不能脱离对方而单独存在。如：上为阳，下为阴。如果没有上，也就没有所谓的下。2.指在相互依存的基础上，某些范畴的阴阳还体现出相互资生、相互为用的关系特点。

    阴阳转化

    阴阳的相互转化是指在一定条件下阴阳可各自向其对立的属性转化。它主要是指事物的总的阴阳属性的改变。任何事物都存在阴阳两个方面，阴阳的孰主孰次就决定了这一事物当时的主要特性。事物内部阴阳的主次不是一成不变的，他们处于消长变化之中，一旦这种消长变化达到一定阈值，就可能导致阴阳属性的相互转化。阴阳的转化一般都出现在事物变化的“物极”阶段，即“物极必反”。如果说“阴阳消长”是一个量变过程的话，则阴阳转化往往表现为量变基础上的质变。阴阳转化必须具备一定的条件：即“物极必反”，这里的“极”是指事物发展到了极限、顶点，这个是促进转化的条件。

物质的阴阳

    我们叙述了物质的质量与能量，物质具有质量和能量两重自然属性。物质质量与能量很好地契合古老的“阴阳理论”。我们如果把物质的质量看做物质的“阴”，把物质内禀的能量看做物质的“阳”，那么，可以根据物质内禀能量的不同，划分成为“阴性物质”与“阳性物质”。

    在宇宙大自然中存在的比较有代表意义的阳性物质是氢元素，氢元素相对于其他元素，内禀能量最高。氢元素在一定条件下发生核聚变释放能量，变成聚变成为氦元素，氦元素在一定条件下再次发生核聚变，生成碳氧等元素，再次释放能量。氢相对于氦是偏阳性的，氦相对于氢则偏阴性。碳、氧等元素相对于铁是偏阳性的。

    在宇宙大自然中存在的比较有代表意义的“阴性物质”是“超固态”和“中子态”物质，他们是氢氦等物质经过数次核聚变反应，数次释放热量以后的物质“残渣”，内禀能量释放殆尽。

    “黑洞”的存在，在天文观测中得到间接证实，“黑洞”是比“中子星”更加致密，新生的“黑洞”内禀能量极度匮乏，是“极阴物质”。我之所以在这里强调了一个“新生”，是有深意的，关于这一点，我们在本书后面进行解释。

    “白洞”尚未得到天文观测确认，目前只是理论中的存在，如果“白洞”真实存在，它应该是“极阳物质”。

    物质内禀能量不同，表现出来的的物质状态不同。有物理层面的不同，也有核层面的。

能量本身也是物质

    物质是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背景。自然界和社会的一切形象，都是运动着的物质的存在形式。

    能量可以在物体之间相互传递，光和热是物质之间传递能量的重要途径。加热一壶水，壶中水的能量增加了，壶中水分子运动加剧，水分子之间碰撞变得强烈，温度提高了，这是水分子吸收能量后的一种表现形式、是能量增加时出现的一种状态。

    光的本质是什么，目前还不甚明了，我们只知道它是电磁波的一个波段，我们肉眼能够接收，能够看到的部分，它具有波粒二象性，它可以携带和传递能量。

    广义地讲，电磁波是物质，光也是物质。可见光是电磁波在人眼可见的频率，红外线、紫外线、电磁波在人眼可见的频率之外。一般认为，光没有静止质量，它们似乎是纯能量，我们可以把它们看做“纯阳物质”。

    就在前不久的2016年，人类用仪器测得了引力波的真实存在。广义地讲，能量本身也是一种物质，引力是一种能量，所以引力也是一种物质。只不过引力的作用是负面的，属于负能量，我们可以把它看做为“纯阴物质”。

    氢是物质、氦是物质，碳、氧是物质，金、银、铜、铁、铀、钍、镭都是物质，只不过这些物质蕴含的能量不同。我们可以把它们分为“高能态物质”和“低能态物质”。在地球环境中，氢和氦属于“高能态物质”。各种物质内禀能量有差异，氢相比于氦，内禀能量高。氢在一定条件下发生核聚变，释放出能量。氦相比碳和氧内禀能量高，在恒星中，氦元素发生核聚变，形成碳、氧等元素，释放出能量。

    铀、钍、镭等放射性同位素，是重核物质，内禀能量相对于铁镍元素较高，也属于较高能态物质，他们处于不稳定状态，不断发生放射性衰变，裂变为较小的原子核，向低能态接近。在一定条件下，发生快速连锁核裂变，释放大量能量，这就是“原子弹”的原理。在地球环境下，铁原子核（不包括铁的同位素）的性质也最稳定。如果强行让铁元素发生核聚变，其消耗的能量大于核聚变释放出来的能量，铁元素是低能态物质。

    实物粒子和场统称物质，或者有能量和质量的统称物质。

    在“新星之源”一章我们所述，超新星爆发分为不同的类型，但也可以简单分为“热核爆炸”型、“核坍缩”两大类。核坍缩型超新星爆发，其星体中心部位凝聚成为“中子星”或“黑洞”。“热核爆炸”型超新星，爆炸后的遗留物是气体、尘埃、固体碎块。固体碎块中，有石质、铁质、石铁质等一般物质，也混杂着“超重物质”和“奇异物质”，   我们所述的“奇异物质”则是缓慢吸聚能量，由“阴”转“阳”之中的特殊物质。“超重物质”和“奇异物质”都是是特殊能态的物质。