物質(物理學名詞)

物質為構成宇宙間一切物體的實物和場。例如空氣和水，食物和棉布，煤炭和石油，鋼鐵和銅、鋁，以及人工合成的各種纖維、塑膠等等，都是物質。世界上，我們周圍所有的客觀存在都是物質。人體本身也是物質。除這些實物之外，光、電磁場等也是物質，它們是以場的形式出現的物質。物質的種類形態萬千，物質的性質多種多樣。氣體狀態的物質，液體狀態的物質或固體狀態的物質；單質、化合物或混合物；金屬和非金屬；礦物與合金；無機物和有機物；天然存在的物質和人工合成的物質；無生命的物質與生命物質以及實體物質和場物質等等。物質的種類雖多，但它們有其特性，那就是客觀存在，並能夠被觀測，以及都具有質量和能量。

基本介紹

• 中文名：物質
• 外文名：material
• 類別：物理學名詞

物質種類

常見的物質存在狀態有六種：固態、液態、氣態、等離子態、超固態、中子態。不過實驗技術的進步產生了許多新的物質狀態，像是玻色–愛因斯坦凝聚及費米子凝聚態。對於基本粒子的研究也產生了新的物質狀態，像是夸克-膠子漿。在自然科學的歷史中，許多人都在研究物質的確切性質，物質是由許多離散組件組合而成的概念，即所謂的“物質粒子論”，最早是由希臘哲學家留基伯（~490 BC）及德謨克利特（~470–380 BC）提出。

所有可以用肉眼看到的物體都是由原子組成，而原子是由互相作用的次原子粒子所組成，其中包括由質子和中子組成的原子核，以及許多電子組成的電子云 。 一般而言科學上會將上述的複合粒子視為物質，因為他們具有靜止質量及體積。相對的，像光子等無質量粒子（英語：massless particle）一般不視為物質。不過不是所有具有靜止質量的粒子都有古典定義下的體積，像夸克及輕子等粒子一般會視為質點，不具有大小及體積。而夸克和輕子之間的互動作用才使得質子和中子有所謂的體積，也使得一般物體有體積。愛因斯坦證明所有物體都可以轉換為能量（即質能等價），之間的關係式即為著名的E = mc²，其中E為能量，m為質量，c為光速，其數值為299792458 m/s。因此很小的質量可以轉換為很大的能量，例如正子和電子（都是物質）可以轉換為非物質的光子。不過雖然在這些過程中可以產生或是湮滅物質，但是物質及能量的總和（透過E = mc²轉換）卻不會改變。

巨觀而言，物質的種類萬千，性質多樣。氣體狀態的物質，液體狀態的物質或固體狀態的物質；單質、化合物或混合物；金屬和非金屬；礦物與合金；無機物和有機物；天然存在的物質和人工合成的物質；無生命的物質與生命物質以及實體物質和場物質等等。物質的種類雖多，但它們有其特性，那就是客觀存在，並能夠被觀測，以及都具有質量和能量。

物質與物件的區別

就內涵方面而言，物質是永不均勻滿布於時、空中的填充內容，其唯一屬性是質量。就外延方面而言，物質指所有的物件，包括“精神物件”與“現實物件”。“宇宙”三要素為時間、空間、質量。其中質量與空間是物件的基本屬性，而質量與空間及時間都是事件的基本屬性。

物質形態

物理學上物質有六種存在形態：固態、液態、氣態、等離子態、玻色-愛因斯坦凝聚態、費米子凝聚態。固態物質具有形狀和體積，它們的分子緊緊地結合在一起。液態物質也有體積，但沒有形狀，相比之下，它們的分子結合得要鬆散一些，因而液體可以被傾倒到一個容器中以測量它們的體積。氣體既沒有體積也沒有形狀，它們的分子會自由地移動，從而充滿任何一個可以封閉它們的容器。等離子態是由等量的帶負電的電子和帶正電的離子組成。玻色-愛因斯坦凝聚態表示原來不同狀態的原子突然“凝聚”到同一狀態（一般是基態）。即處於不同狀態的原子“凝聚”到了同一種狀態。

物質狀態的變化

氣態物質

我們的生活空間被大量氣體包圍著。許多古人觀察到：風能夠將較細的樹幹吹彎了腰，燒開的水中會冒出氣泡。因此早期的哲學家相信有一種稱為“空氣”的元素存在，並具有上升的傾向。17 世紀時，托里切利證明空氣和固體、液體一樣具有重量。到了18世紀，化學家證明了空氣是多種氣體的混合物，並且在化學反應中發現了許多氣體。這些新發現的氣體立刻就有了實際的套用，例如從煤中提煉出的氣體就可以產生光與熱。

液態物質

液體的粒子會互相吸引而且離得很近，所以不易將固定體積的液體壓縮成更小的體積或是拉大成更大的體積。受熱時，液體粒子間的距離通常都會增加，因而造成體積膨脹。當液體冷卻時，則會發生相反的效應而使體積收縮。液體可以溶解某些固體，例如將食鹽放入水中，食鹽顆粒好像會漸漸消失。其實是因為食鹽溶於水後電離出鈉離子與氯離子，並均勻分布在水中，形成一種水溶液。此外，液體還可以溶解氣體或其他液體。

固態物質

固態物質具有固定的形狀，液體和氣體則沒有。想要改變固體的形狀，就必須對它施力。例如擠壓或拉長可以改變固體的體積，但通常變化不會太大。大部分固體加熱到某種程度都會變成液體，若是溫度繼續升高則會變成氣體。不過有些固體在受熱之後就會分解，例如石灰石。晶體與金屬是最重要的兩種固體。

等離子態物質

將氣體加熱，當其原子達到幾千甚至上萬攝氏度時，電子就會被原子"甩"掉，原子變成只帶正電荷的離子。此時，電子和離子帶的電荷相反，但數量相等，這種狀態稱做等離子態。人們常年看到的閃電、流星以及螢光燈點燃時，都是處於等離子態。人類可以利用它放出大量能量產生的高溫，切割金屬、製造半導體元件、進行特殊的化學反應等. 在茫茫無際的宇宙空間里，等離子態是一種普遍存在的狀態。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。宇宙中絕大部分物質都處於等離子態，固液氣才是真正的比較稀少的物質狀態。只有那些昏暗的行星和分散的星際物質里才可以找到固態、液態和氣態的物質。

凝聚態物質

玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）是科學巨匠愛因斯坦在70年前預言的一種新物態。這裡的“凝聚” 與日常生活中的凝聚不同，它表示原來不同狀態的原子突然“凝聚”到同一狀態（一般是基態）。即處於不同狀態的原子“凝聚”到了同一種狀態。

這個新的第五態的發現還得從1924年說起，那一年，年輕的印度物理學家玻色寄給愛因斯坦一篇論文，提出了一種關於原子的新的理論，在傳統理論中，人們假定一個體系中所有的原子（或分子）都是可以辨別的，我們可以給一個原子取名張三，另一個取名李四，並且不會將張三認成李四，也不會將李四認成張三。然而玻色卻挑戰了上面的假定，認為在原子尺度上我們根本不可能區分兩個同類原子（如兩個氧原子）有什麼不同。

玻色的論文引起了愛因斯坦的高度重視，他將玻色的理論用於原子氣體中，進而推測，在正常溫度下，原子可以處於任何一個能級（能級是指原子的能量像台階一樣從低到高排列），但在非常低的溫度下，大部分原子會突然跌落到最低的能級上，就好像一座突然坍塌的大樓一樣。處於這種狀態的大量原子的行為像一個大超級原子。打個比方，練兵場上散亂的士兵突然接到指揮官的命令“向前齊步走”，於是他們迅速集合起來，像一個士兵一樣整齊地向前走去。後來物理界將物質的這一狀態稱為玻色-愛因斯坦凝聚態（BEC），它表示原來不同狀態的原子突然“凝聚”到同一狀態。這就是嶄新的玻愛凝聚態。

費米子凝聚態

根據“費米子凝聚態”研究小組負責人德博拉·金的介紹， “費米子凝聚態”與“玻色一愛因斯坦凝聚態”都是物質在量子狀態下的形態，但處於“費米子凝聚態”的物質不是超導體。

量子力學認為，粒子按其在高密度或低溫度時集體行為可以分成兩大類：一類是費米子，得名於義大利物理學家費米；另一類是玻色子，得名於印度物理學家玻色。這兩類粒子特性的區別，在極低溫時表現得最為明顯：玻色子全部聚集在同一量子態上，費米子則與之相反，更像是“個人主義者”，各自占據著不同的量子態。“玻色一愛因斯坦凝聚態”物質由玻色子構成，其行為像一個大超級原子，而“費米子凝聚態”物質採用的是費米子。當物質冷卻時，費米子逐漸占據最低能態，但它們處在不同的能態上，就像人群湧向一段狹窄的樓梯，這種狀態稱作“費米子凝聚態”。

守恆定律

1．早期的“質量守恆定律”（質能關係之前）

在化學反應中，參加反應前各物質的質量總和等於反應後生成各物質的質量總和。這個規律就叫做質量守恆定律（Law of conservation of mass）。

在任何與周圍隔絕的體系中，不論發生何種變化或過程，其總質量始終保持不變。或者說，任何變化包括化學反應和核反應都不能消除物質，只是改變了物質的原有形態或結構，所以該定律又稱物質不滅定律。

2．“能量守恆定律”

3．愛因斯坦的“質能關係”

4．“信息守恆”（鄧宇等）

基本結構

物質不依賴於意識而又能為人的意識所反映的客觀實在。運動是物質的根本屬性，時間和空間則是運動著的物質的存在形式。自然界和社會的一切形象，都是運動著的物質的存在形式。由同一種分子組成的物的最小單位簡而言之，就是組成各種形態，生命，乃至宇宙，的基本元素。

簡單點說就是實物粒子和場統稱物質或者有能量（質量）的統稱物質。

物質的本源是單位空間的運動，也可以說是量子的運動，因為我們知道任何物質的運動都會增加質量，速度接近光速會越發明顯，比如電子的自旋，在一定小空間的運動形成了質量，E=mc²》m=E/c²，質量也就是物質了，任何物質都是運動的光子（量子）組成的，而靜止的光子是沒有質量的，質量和能量的轉換公式為E=mc²，所以反過來思考，物質的本源就是沒有質量的空間（量子）接近光速的運動，而把物質完全轉化為能量的是正反物質的湮滅，所以任何物質都不是實體，只要條件合適，都可以穿越，之所以有支持力等等，都是空間之間的電磁場的排斥，光子照在形成物質的空間上也會反射，就看見了物體，手觸摸的時候，手的粒子和物體的粒子場力相互排斥，不然手就會穿過物體，所以任何物質都是虛無的，只是空間在相互作用（電磁力萬有引力等等）大質量的物質萬有引力場越發明顯，小質量比如夸克質子只在原子核層面形成效應，所以物質也是一種波，可以互相穿過。

世界是由物質構成的，物質通常是有結構的，但是物質結構在層次上是否具有基本單元，即德謨克利特式的“原子”是否存在？這是一個長期反覆爭論而又常新的課題。當代幾種不同的量子引力，儘管對某些問題存在著不同的見解，但是關於這個問題從實質上來看，卻給出了一致肯定的回答。

超弦/M理論和圈量子引力是異曲同工的，都認為尺度為普朗克長度（10^-33厘米）的小圈是物質和空間微觀結構基本單元。

普朗克長度是由引力常數、光速和普朗克常數決定的，它大致等於10的-33次方厘米，是一個質子大小的10的20次方分之一。

普朗克長度l=Gh/c^3=10^-33厘米

其中G為引力常數，h為普朗克常數，c為光速

超弦/M理論認為，構成我們世界的物質微觀基本單元是具有廣延性的弦和brane（膜），並非所謂的只有位置沒有大小的數學抽象點粒子。粒子物理學標準模型中的 粒子，都是弦或brane（膜）的激發。弦和brane（膜）的線度是有限短的普朗克長度，它們正是構成我們世界的物質基本單元，即德謨克利特式的“原子”，這 是超弦/M理論為現今所有粒子提供的本體性統一。

圈量子引力給出了在普朗克標度面積和體積的量子化性質，即斷續的本徵值譜，面積和體積分別存在著最小值。由於在圈量子引力中，脫離引力場的背景空間 是不存在的，而引子場是物質的一種形態，因此脫離物質的純粹空間也就是不存在的。空間體積和面積的不連續性和基本單元的存在，正是物質微觀結構的斷續性和 基本單元的存在性的最有力論據。

總之，超弦/M理論和圈量子引力從不同的側面，對量子引力的本質和規律作出了一定的揭示，它們在普朗克長度（10^-33厘米）領域一致地得出了空間量子化和物質微觀結構基本單元存在的結論。這無疑是人們在20世紀末期對我們世界空間時間經典觀念的重大突破，也是廣義相對論和量子力學統合的成果；同時更是辯證唯物主義哲學上關於空間 和時間是物質存在的客觀形式，沒有無物質的空間和時間，也沒有無空間和時間的物質學說的一曲凱歌！