03. 超神奇物质魔力—物态变化的认识（上）

喜马拉雅的孩子听友们和家长听友们，大家好。我是淼叔，我们又回到讲给孩子的三体中的物理学，还是第1章，今天讲第2节，我们上一次讲的是第1章向物理出发的第1节，世界到底有多大，主要讲讲宇宙有多大和构成宇宙的微观世界，那么今天我们进一步在微观世界的基础上进一步来谈一谈我们宇宙中的物质的状态或者是形态。那么第2节节的题目就是超神奇的物质魔力——物态变化的认识。

我们每天一睁眼醒来的话，我们不外乎和三种物质形态打交道，第1种就是我们经常用的碗、杯子、勺子、椅子、坐着的汽车等等，那么所有的这些东西它都有个特点，就是说它的外观、外形不会变化，或者是说在一定的力量打击之下不会变化。当然如果你对杯子也好，椅子也好，是以足够大的力量，它还是会改变形状的，那么我们把这种状态就是在一定的压力之下不会改变，它的形态的物质叫做固态，就是固化的固，那么顾顾名思义的话，它不太会容易变化。那么可以说地球表面的一层也就是地壳或者叫地壳，不管是地壳还是地壳，它大概有不到20公里这么样子，地球的半径有6000多公里，我们上一次讲了，那么它不到20公里的这一层叫地壳，基本上都是固态的，除了海洋这一部分，那么海洋占的部分相对来说还是比较少的，也就是说地壳基本上是由固态构成的，这也就是为什么我们都非常容易的来找到我们需要用的东西的材料，比如说木头岩石，当然我们知道人类的发展就是从岩石开始的，我们打磨岩石变成一些工具，比如石刀什么等等，石产诸如此类的东西。

固态是我们人类必须用到的工具的基本材料。当然还有一些比如说化学的材料，比如说煤等等，它也是固态，这也是我们平常要用到的。那么大家还记得《三体》吗？因为我说了我们每一节都要讲一个点，知识点就是三体里面的一个情节或者是一件东西，那么今天我们讲了一个情节和一件东西，那么情节就是三体人派出舰队的时候，向地球派出第1个星舰的时候，这上千艘星舰就是向着地球出发了。在出发的过程中，三体人的技术也就在星舰中发展，那么他们就发现了一种是特别神奇的物态，他们用这种物态制造出不太重要是不太大的一种航天器叫水滴，看起来像一个完美的水滴一样。

刘慈欣，为什么叫水滴？它是用一个直观让人们去想像这种神奇的材料，也就是说水滴这种航天器的表面，无论你拿多么强大的放大镜去看，你都看不到它表面上坑坑洼洼的。我们知道如果你拿放大镜去看木头的话，你会发现木头是里面也是很粗糙的东西构成的，如果放大镜的放大倍数更大的话，你就会看到细胞，人类发现细胞就是通过这种手法来发现的。那么同样的话，你会看到一些比如说水晶它的晶体的结构，当然晶体的结构是用X线才能看出来的，普通的放大镜是做不到的。

同样的话还有一些非晶体的结构，比如说像玻璃，它不是由一个个分子排列有序形成的，而是排列无序形成的，但是无论是水晶也好，还是玻璃也好，它们都是固态。刘慈欣想象航天器水滴是有一种我们迄今为止没有发现的一种固态，这个固态又不是特别重，因为他水滴的航天器大约也就是一张桌子大小，可是它重量也不过数吨重，它不是超越我们认知的物态，它应当是固态，到底是什么？我们就留给其他的科学家去解答，也许未来我们会发现新的新奇的固态，它可以成为三体人制造水滴的材料。

好了，我们交代完了固态，我们接着来谈第2种，我们经常碰到也用到的形态，也就是液态。那么物质液态最多的就是水，海洋中的水河水以及我们饮用水，那么水的重要性无需多说了，但是我们今天还是要多说一下，特别是对小朋友们。为什么说因为水对我们生存是一个极其重要的，我们都知道我们一个人可以饿上几天不吃饭死不了，但是几天不喝水，肯定死。

水为什么这么重要？首先我们身体里面大约60%，小朋友可能更多一点，接近70%是有水所构成的，我们大脑就更加如此，不管是成年人的大脑，还是小孩的大脑水的比重占了70%。 这是为什么说喝水对健脑很重要？对。不得老年痴呆病，它是一个重要的条件，水是液态，同时因为它是液态，所以才重要，因为它在我们身体里面可以自由流动，比如说我们的血液里面就有大量的水存在，那么血液是必须可以流动的，因此血液也是液态不能流动的话，它就不能来把我们身体中的养分从比如说我们胃里面对吧？消化了以后输送到别的地方去，它也不能把一些我们身体的有机体所需要的其他的元素，比如说碳等等，或者是微量元素，我们骨骼里面需要的微量元素，通过血液输送到其他地方去，而水在血液里面起到一个关键的作用，因为水是万能溶剂，它可以融化很多不同的东西，那么我们身体里面需要很多东西，可以通过水来融化溶解了，然后在血液里面输运，这是为什么说水是起码是碳基生命，就是地球上这些所有生命形态所必要的条件。

那么第3种我们就要说到气态，那么气态大气层我们都知道，坐飞机人都知道，没有大气层的飞机就不可能上天。同样刮风也是下雨，都和大气层密不可分，比如刮风其实就是大气的流动，那么古人早就意识到我们没有生活在真空里面，我们生活的大气里面，而古人特别是古希腊，包括古中国人，也把气作为一种非常原始的，也就是非常基本的一种元素。好了，我们交代完了这三种物态，也就是固态、液态、气态。固态，举个例子，比如说是水晶，液态，举个例子是水。气态，举个例子，就是大气层中的氧气、氮气也好，都是我们平常所需要的。

那么我们如何用上一节讲的这种微观结构，也就是分子原子来理解这三种状态？换句话说，费曼说了，如果我们把人类的知识总结一下，如果只留下一句话，他就是说世界是由原子构成的，那么我们如何用原子基本的组态来理解以上三种物质形态，这个就非常有意思，因为这个是一个物理的非常大的领域，也就是邻居太领域研究的事情，根据我们的朋友、科学家，也就是凝聚态物理学家，固态是怎么定义的？固态就是说它组成固态物质的分子，原子相对位置不变，在一定压力之下，拉力也好、流力也好、切分力也好，不管什么样的力量，只要它不够大，那么它不会变。当然我们都知道还有一个由此衍生出来的叫做断力力学，就说明固态他也不是说永远不变的，对吧？如果我们把一根棍子使劲掰，它可以掰断，那么它也就是说足够大的力量，它还会还是会改变形状的。好，固态是这么定义的，也就是说构成它的分子原子的相对位置不变。

那么接下来就很容易理解了，液态是怎么定义的，液态是构成这个状态的物质的分子，原子相对位置可以变化，可是气态不也是如此吗？气态也可以这么定义，就是我们空气中的这个氢气氧气是由氢分子氧分子组成的，他们实际上相对位置随时在变，那么是什么东西来区分液态和气态？就是说液态在平常的状态之下，它可以有界面，比如说水面，对吧？我们看到河水也好，海洋也好，它都有一个水面，它是有一个明显的界面，而气态是没有的，大气我们不知道大气层很高，它是渐渐的消失了，他不是说有一个明显的界面，谁也没有看到。比如说一瓶子大气把瓶子打碎了大气，还保持一个瓶子的形状是不可能的，它会慢慢的深套到别的地方去，所以我们液态和气态的定义就是这么分开的，就是说构成它们的分子原子可以相对的运动，但是液态是有一个自由的界面。而比如说一滴水滴的表面，那么我们也知道过去中国空间站上做过实验，应当是王亚平老师、刘洋老师的应当是王亚平老师在太空站里面做了一个实验，就是把水慢慢的挤入一个小水滴里面，水滴随时在变大，那个是在失重的情况下，因为我们平常看到的水的界面是在地球的重力场中，可见液态的定义其实在有重力、没重力都是一样的，它有明显的界面，就在失重情况下，水滴也可以有界面，而且可以变得越来越大，它不会破碎的原因恰恰是因为没有万有引力，因此水滴没有重量，因此它表面的水面的张力可以保持这个水滴无论它有多么大，他不会散开。 

喜马拉雅的孩子听友们和家长听友们，大家好。我是淼叔，我们又回到讲给孩子的三体中的物理学，还是第1章，今天讲第2节，我们上一次讲的是第1章向物理出发的第1节，世界到底有多大，主要讲讲宇宙有多大和构成宇宙的微观世界，那么今天我们进一步在微观世界的基础上进一步来谈一谈我们宇宙中的物质的状态或者是形态。那么第2节节的题目就是超神奇的物质魔力——物态变化的认识。

我们每天一睁眼醒来的话，我们不外乎和三种物质形态打交道，第1种就是我们经常用的碗、杯子、勺子、椅子、坐着的汽车等等，那么所有的这些东西它都有个特点，就是说它的外观、外形不会变化，或者是说在一定的力量打击之下不会变化。当然如果你对杯子也好，椅子也好，是以足够大的力量，它还是会改变形状的，那么我们把这种状态就是在一定的压力之下不会改变，它的形态的物质叫做固态，就是固化的固，那么顾顾名思义的话，它不太会容易变化。那么可以说地球表面的一层也就是地壳或者叫地壳，不管是地壳还是地壳，它大概有不到20公里这么样子，地球的半径有6000多公里，我们上一次讲了，那么它不到20公里的这一层叫地壳，基本上都是固态的，除了海洋这一部分，那么海洋占的部分相对来说还是比较少的，也就是说地壳基本上是由固态构成的，这也就是为什么我们都非常容易的来找到我们需要用的东西的材料，比如说木头岩石，当然我们知道人类的发展就是从岩石开始的，我们打磨岩石变成一些工具，比如石刀什么等等，石产诸如此类的东西。

固态是我们人类必须用到的工具的基本材料。当然还有一些比如说化学的材料，比如说煤等等，它也是固态，这也是我们平常要用到的。那么大家还记得《三体》吗？因为我说了我们每一节都要讲一个点，知识点就是三体里面的一个情节或者是一件东西，那么今天我们讲了一个情节和一件东西，那么情节就是三体人派出舰队的时候，向地球派出第1个星舰的时候，这上千艘星舰就是向着地球出发了。在出发的过程中，三体人的技术也就在星舰中发展，那么他们就发现了一种是特别神奇的物态，他们用这种物态制造出不太重要是不太大的一种航天器叫水滴，看起来像一个完美的水滴一样。

刘慈欣，为什么叫水滴？它是用一个直观让人们去想像这种神奇的材料，也就是说水滴这种航天器的表面，无论你拿多么强大的放大镜去看，你都看不到它表面上坑坑洼洼的。我们知道如果你拿放大镜去看木头的话，你会发现木头是里面也是很粗糙的东西构成的，如果放大镜的放大倍数更大的话，你就会看到细胞，人类发现细胞就是通过这种手法来发现的。那么同样的话，你会看到一些比如说水晶它的晶体的结构，当然晶体的结构是用X线才能看出来的，普通的放大镜是做不到的。

同样的话还有一些非晶体的结构，比如说像玻璃，它不是由一个个分子排列有序形成的，而是排列无序形成的，但是无论是水晶也好，还是玻璃也好，它们都是固态。刘慈欣想象航天器水滴是有一种我们迄今为止没有发现的一种固态，这个固态又不是特别重，因为他水滴的航天器大约也就是一张桌子大小，可是它重量也不过数吨重，它不是超越我们认知的物态，它应当是固态，到底是什么？我们就留给其他的科学家去解答，也许未来我们会发现新的新奇的固态，它可以成为三体人制造水滴的材料。

好了，我们交代完了固态，我们接着来谈第2种，我们经常碰到也用到的形态，也就是液态。那么物质液态最多的就是水，海洋中的水河水以及我们饮用水，那么水的重要性无需多说了，但是我们今天还是要多说一下，特别是对小朋友们。为什么说因为水对我们生存是一个极其重要的，我们都知道我们一个人可以饿上几天不吃饭死不了，但是几天不喝水，肯定死。

水为什么这么重要？首先我们身体里面大约60%，小朋友可能更多一点，接近70%是有水所构成的，我们大脑就更加如此，不管是成年人的大脑，还是小孩的大脑水的比重占了70%。 这是为什么说喝水对健脑很重要？对。不得老年痴呆病，它是一个重要的条件，水是液态，同时因为它是液态，所以才重要，因为它在我们身体里面可以自由流动，比如说我们的血液里面就有大量的水存在，那么血液是必须可以流动的，因此血液也是液态不能流动的话，它就不能来把我们身体中的养分从比如说我们胃里面对吧？消化了以后输送到别的地方去，它也不能把一些我们身体的有机体所需要的其他的元素，比如说碳等等，或者是微量元素，我们骨骼里面需要的微量元素，通过血液输送到其他地方去，而水在血液里面起到一个关键的作用，因为水是万能溶剂，它可以融化很多不同的东西，那么我们身体里面需要很多东西，可以通过水来融化溶解了，然后在血液里面输运，这是为什么说水是起码是碳基生命，就是地球上这些所有生命形态所必要的条件。

那么第3种我们就要说到气态，那么气态大气层我们都知道，坐飞机人都知道，没有大气层的飞机就不可能上天。同样刮风也是下雨，都和大气层密不可分，比如刮风其实就是大气的流动，那么古人早就意识到我们没有生活在真空里面，我们生活的大气里面，而古人特别是古希腊，包括古中国人，也把气作为一种非常原始的，也就是非常基本的一种元素。好了，我们交代完了这三种物态，也就是固态、液态、气态。固态，举个例子，比如说是水晶，液态，举个例子是水。气态，举个例子，就是大气层中的氧气、氮气也好，都是我们平常所需要的。

那么我们如何用上一节讲的这种微观结构，也就是分子原子来理解这三种状态？换句话说，费曼说了，如果我们把人类的知识总结一下，如果只留下一句话，他就是说世界是由原子构成的，那么我们如何用原子基本的组态来理解以上三种物质形态，这个就非常有意思，因为这个是一个物理的非常大的领域，也就是邻居太领域研究的事情，根据我们的朋友、科学家，也就是凝聚态物理学家，固态是怎么定义的？固态就是说它组成固态物质的分子，原子相对位置不变，在一定压力之下，拉力也好、流力也好、切分力也好，不管什么样的力量，只要它不够大，那么它不会变。当然我们都知道还有一个由此衍生出来的叫做断力力学，就说明固态他也不是说永远不变的，对吧？如果我们把一根棍子使劲掰，它可以掰断，那么它也就是说足够大的力量，它还会还是会改变形状的。好，固态是这么定义的，也就是说构成它的分子原子的相对位置不变。

那么接下来就很容易理解了，液态是怎么定义的，液态是构成这个状态的物质的分子，原子相对位置可以变化，可是气态不也是如此吗？气态也可以这么定义，就是我们空气中的这个氢气氧气是由氢分子氧分子组成的，他们实际上相对位置随时在变，那么是什么东西来区分液态和气态？就是说液态在平常的状态之下，它可以有界面，比如说水面，对吧？我们看到河水也好，海洋也好，它都有一个水面，它是有一个明显的界面，而气态是没有的，大气我们不知道大气层很高，它是渐渐的消失了，他不是说有一个明显的界面，谁也没有看到。比如说一瓶子大气把瓶子打碎了大气，还保持一个瓶子的形状是不可能的，它会慢慢的深套到别的地方去，所以我们液态和气态的定义就是这么分开的，就是说构成它们的分子原子可以相对的运动，但是液态是有一个自由的界面。而比如说一滴水滴的表面，那么我们也知道过去中国空间站上做过实验，应当是王亚平老师、刘洋老师的应当是王亚平老师在太空站里面做了一个实验，就是把水慢慢的挤入一个小水滴里面，水滴随时在变大，那个是在失重的情况下，因为我们平常看到的水的界面是在地球的重力场中，可见液态的定义其实在有重力、没重力都是一样的，它有明显的界面，就在失重情况下，水滴也可以有界面，而且可以变得越来越大，它不会破碎的原因恰恰是因为没有万有引力，因此水滴没有重量，因此它表面的水面的张力可以保持这个水滴无论它有多么大，他不会散开。 

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