物態

物態（物質狀態）是指一種物質出現不同的相。早期來説，物質狀態是以它的體積性質來分辨。在固態時，物質擁有固定的形狀和容量；而在液態時，物質維持固定的容量但形狀會隨容器的形狀而改變；氣態時，物質不論有沒有容量都會膨脹以進行擴散。科學家以分子之間的相互關係作分類。固態是指因分子之間因為相互的吸力因而只會在固定位置振動。 而在液體的時候，分子之間距離仍然比較近，分子之間仍有一定的吸引力，因此只能在有限的範圍中活動。至於在氣態，分子之間的距離較遠，因此分子之間的吸引力並不顯著，所以分子可以隨意活動。等離子態（Plasma），是在高温之下出現的高度離化氣體。而由於相互之間的吸力是離子力，因而出現與氣體不同的性質，所以等離子態被認為是第四種物質狀態，是宇宙中普遍存在的一種物質的聚集狀態。假如有一種物質狀態不是由分子組成而是由不同力所組成，會形成一種新的物質狀態。例如：夸克-膠子漿等。

物態（物質狀態）也可用相的轉變來表達。相的轉變可以是結構上的轉變又或者是出現一些獨特的性質。根據這個定義，每一種相都可以其他的相中透過相的轉變分離出來。例如水數種固體的相。超導電性便是由相的轉變引伸出來，因此便有超導電性的狀態。同樣，液晶體狀態等都是用相的轉變所劃分出來並同時擁有不同的性質。

粒子（包括離子、原子或者分子）都是緊密排列。粒子之間有很強的吸力，所以只能在原位震動。因而令固體擁有穩定、固定形狀和固定容量的特性，只有因施力而切斷或打碎時才可改變它的形狀。在晶體固體中，粒子（包括原子、分子、和離子）都是以三維空間的結構排列，而同一種物質可以排列成不同形式晶體結構。例如鐵在912℃下是面心立方，912℃至1394℃之間便是體心立方。又例如冰，世上已知有關冰的晶體結構有15種，這15種的固體物質狀態分別存在於不同的温度和壓力之下。在物質狀態的轉變過程中，固體會透過融化變成液體，相反液體會凝固成固體。如果由固體直接轉變為氣體，例如在大氣壓力下的CO₂，稱之為昇華，反之則是凝華。

嚴格地説，物理上的固態應當指“結晶態”，也即各種晶體所具有的狀態。最常見的晶體是食鹽，由許多立方形晶體構成。還有許多顏色、形狀各異的規則晶體。物質在固態時的突出特徵是有一定的體積和幾何形狀，物理性質具有各向異性。有一定的熔點，熔化時温度不變。

在固體中，分子或原子有規則地排列。每個分子或原子在各自固定的位置上振動。晶體的這種結構稱為空間點陣結構。

在温度和氣壓是常數的情況下，液體的容量是固定的。當固體加熱到熔點之上時，便會成為液體。內分子（內原子或者內離子）之間的力仍然不可忽略，但分子有足夠的能量，因而可以有相對運動，結構亦是流動的。液體的形狀是不定的，由容器的形狀來決定。一般情況下液體的容量會比它在固體時要大，水（H₂O）是一個反例，因為水從0℃—4℃下密度上升並達到頂點。而物質以液體存在的最高温度和最高壓力分別名為臨界温度和臨界壓力。

液體有流動性，與固體不同，液體還有各向同性特點（不同方向上物理性質相同），因為物體由固態變成液態的時候，由於温度的升高使得分子或原子運動劇烈，不可能再保持原來的固定位置，於是產生流動。這時分子或原子間的吸引力還比較大，使它們不至分散遠離，因此液體有一定的體積。在液體內部的小區域內仍存在類似晶體的結構——“類晶區”。流動性是“類晶區”彼此間可以移動形成的。

在氣態中，分子擁有足夠多的動能，因而內分子力的影響相對減少（對於理想氣體是0），分子之間的距離也較遠。氣體並沒有限定的形狀和容量，但是它會佔據整個密封的容器。液體可以透過在常壓下加熱到沸點或者在常温下加壓而轉變成氣體。當氣體温度低過臨界温度時，這種氣體稱為蒸氣，可以單獨透過加壓而變成液體。如果氣體的壓力等同液體的蒸氣壓，兩者便可達致平衡，固體也是如此。當一種氣體的温度和氣壓分別超越自身的臨界壓力及臨界温度時便成為超臨界流體，它擁有氣體的特性，同時是一種高密度的溶劑，因此而工業中有不少用途。例如超臨界二氧化碳可用透過超流體抽取法去抽取咖啡因，從而製造出脱咖啡因的咖啡。

液體加熱會變成氣態。這時分子或原子運動更劇烈，“類晶區”不復存在。由於分子或原子間的距離增大，它們之間的引力可以忽略，因此氣態主要表現為分子或原子各自的無規則運動，導致氣體特性有流動性，沒有固定的形狀和體積，容易壓縮；物理性質具有各向同性。

液晶是介於各向同性液體與晶體之間的一種物質狀態。某一物質處在液晶態時，分子排列的有序度介於理想晶體的長程有序和液體的長程無序之間。液晶的特點是同時具有流動性和光學各向異性。液晶的化學和物理性質極其豐富，隨科學技術的發展，對液晶的認識也在不斷深化 ^[2]  。

液晶擁有液體的流動性和固體有序排列的特徵。分子擁有液體的流動性，但它們（在一定範圍內）只可以指向同一個方向，而且不能夠自由扭動。部分的液晶在科技上有很大的用途，例如液晶顯示器。

液晶對外界因素（如熱、電、光、壓力等）的微小變化很敏感。正是這些特性使其在許多方面得到廣泛應用。液晶屬於有機化合物，迄今人工合成的液晶已達5000多種。

無定形體（又名非晶狀體）擁有像液體一樣的不規則結構，但由於分子間的運動相對不自由，因此通常納入固體的類別。常見例子有玻璃、聚苯乙烯、合成橡膠或其他聚合物。很多無定形體當加熱至玻璃轉化温度時便會軟化成液體。此時，分子是自由流動的。無定形體不存在長距離的整齊排列，但是在有限範圍內，氧原子（O）以正四面體的排列包圍硅（Si）原子。部分液體屬於非牛頓流體，黏度的大小受作用力和剪應力所影響。因此在某一個流動情況之下便變成無定形體。

非晶態也叫無定形或玻璃態，是一大類剛性固體。利用很高的冷卻速率，將傳統的玻璃工藝發展到金屬和合金，製成對應的非晶態材料，稱之為金屬玻璃或玻璃態金屬。非晶態材料的種類很多，硅土（SiO₂），以及硅土和Al、Na、Mg、Ca等元素的氧化物的混合物構成最古老、最重要的無機玻璃，近20多年來，由於非晶態材料優異的物理、化學特性和廣泛的技術應用，使其得到了迅速的發展 ^[3]  。

玻璃態也稱硫璃態。原子或分子不像在晶體中那樣按某一規則排列的固態，原子排列僅有局域的、部分的規則性（短程有序），而無大範圍的、週期性的規則性（長程有序）的固體狀態。晶體和液體之間的轉變是一種相變，而且是一級相變。在非晶體與液體之間無一個確定的轉變温度，當温度下降時液體先變成黏滯性越來越大的過冷液體，然後在玻璃態轉變温度處轉變成非晶體（玻璃態固體）。玻璃態轉變温度並無定值，隨着液體的冷卻速率而改變，冷卻速率越快，玻璃態轉變温度越低。過冷液體與非晶體之間的轉變，情況十分複雜，不能簡單地看成相變 ^[13]  。處於這種狀態的固體只能在非常長的時間後才結晶。當從熔體冷卻或其他方法形成玻璃時，體系所含的內能並不處於最低值。物質在冷卻過程中內能隨温度而變化。因此從熱力學觀點，玻璃態是處於熱力學不穩定狀態，與相應的結晶態比較，具有較高的內能，有向晶體轉變的趨勢。但從動力學觀點看，它又是穩定的，因為在常温下由於玻璃的高粘度而不能自發地轉變為結晶態，必須克服結晶所需的活化能才行。所以玻璃態屬於亞穩態 ^[14]  。

例如普通玻璃不是處於固態（結晶態），而是非晶態。玻璃沒有固定的熔點，物理性質也是各向同性的。玻璃內部結構沒有空間點陣，與液態的結構類似。“類晶區”彼此不能移動，因此玻璃沒有流動性。嚴格地説，非晶態不屬於固體，因為固體專指晶體。非晶態是另一種物態。除普通玻璃外，常見的非晶態還有橡膠、石蠟、天然樹脂、瀝青和高分子塑料等。

因為超導體擁有零電阻的物質，所以可以有完美的導電性。當它處在外加磁場中，會對磁場產生的微弱排斥力，這種現象稱為邁斯納效應或者完美的抗磁性。超導磁鐵在核磁共振成像機中用作電磁鐵。超導現象是在1911年發現，在往後的時間只知部分金屬和合金在絕對温標30度之下擁有這種特性。直到1986年，在一些陶瓷的氧化物中發現一種名為高温超導電性的特質，而這種物態出現的温度已提高到絕對温度164度。

超導體的電阻完全消失的現象稱為超導電性，此狀態被稱為超導態。超導體在某些科學技術領域中開始進入實用階段。對高温超導機理的理解可能會導致對很多被稱為電子強關聯的一大類材料物理本質的理解，同時在科學和技術兩個方面產生飛躍 ^[4]  。

已發現的超導材料主要是一些金屬、合金和化合物，已達幾千種。

當接近絕對零度時，部分液體會轉變成另一種的液體狀態名為超流體，它的特點是黏度值是零（有無限的流動性），超流動性是其最具特徵的基本性質。科學家在1937年發現，將氦冷卻到低於λ温度（2.17K）便形成超流體。此時，氦氣可以在容器中不斷流動，並可對抗地心吸力。氦-4為了找尋自己的定位會在容器上緩慢地流動，在短時間之後，兩個容器的水平將會是一致。而大容器的內壁將會被“羅林膜”所覆蓋，如果容器的不是密封的，液體便會流出來。超流體擁有無限大的熱傳導率，所以在超流體中不能形成温度梯度。這些特性可以用氦-4在超流體狀態中轉變成玻色-愛因斯坦凝聚態來解釋。費米凝聚態的超流體也可以由氦的同位素氦-3或者鋰的同位素鋰-6在更低温的狀態下轉變而成。

氦-4原子是玻色子，玻色-愛因斯坦統計允許很多原子同時處於一個量子態上。當温度降至λ點以下時，有宏觀數量的氦原子同時凝聚在動量為零的單一量子態上，用一個宏觀波函數來描述。温度在λ點以下的超流動性及其他特異現象都可用這種宏觀波函數的特性來解釋 ^[5]  。

由愛因斯坦和玻色在1924年預測出來，也被稱為第五種物質狀態。多年來，玻色-愛因斯坦凝聚態在氣體狀態下都是一個理論上的預測而已。最後，由克特勒、康奈爾及威曼所領導的團隊，在1995年首先透過實驗製造出玻色-愛因斯坦凝聚。玻色-愛因斯坦凝聚態比固態時更冷。當原子有非常接近或者一致的量子等級和温度非常接近絕對零度（－273℃）時便會出現玻色-愛因斯坦凝聚態。

對於遵從玻色–愛因斯坦統計且總粒子數守恆的理想氣體，存在一個極低但非零的轉變温度T_c，當温度低於T_c時，佔全部粒子數有限百分比的（宏觀數量的）部分將聚集到單一的粒子最低能態上的現象。這是1925年愛因斯坦將S.玻色提出的處理黑體輻射（光子氣體）的方法推廣到實物粒子理想氣體得出的理論預言。後來被稱為玻色-愛因斯坦凝聚。聚集到最低能態上的所有粒子的集合被稱為玻色-愛因斯坦凝聚體。

凝聚體是一種新的物態，可用單一波函數描寫，可研究這種原子波的相干效應以及相應的原子激光和原子光學 ^[6]  。玻色-愛因斯坦凝聚態所具有的奇特性質，不僅對基礎研究有重要意義，在芯片技術、精密測量和納米技術等領域，也都有很好的應用前景。

裏德伯態屬於強力的非理想等離子的其中一種介穩定狀態。當電子處於很高的激發態後冷凝而形成。當到達某個温度時，這些原子會變成離子和電子。在2009年4月，斯圖加特大學的研究員成功由一粒裏德伯原子和一粒基態原子中創造出裏德伯分子（實驗中利用極冷的銣原子），並由此證實了科羅拉多大學—博爾德校區的物理學家克里斯格林的假設，他認為這一種物質狀態是真正存在的。

裏德伯原子是價電子被激發到高激發態能級結構的原子。其他的原子，甚至分子也可以產生裏德伯態。裏德伯原子半徑大，結合能小，壽命長，因此已被當作探針用來進行基礎研究和多方面的應用。裏德伯原子的特殊性能已被用作測量微波、射電波及檢驗電磁場的探測器。在高密度氣體中的裏德伯原子及分子還是新的激光工作物質 ^[7]  。

當温度達到攝氏數千度時便會形成等離子（離化氣體）。有些等離子是透過帶電荷的空氣粒子所做成，可以在一些恆星例如太陽中找到或雷電時產生。當加熱氣體時，電子會因為擁有足夠的動能而成功擺脱原子核的吸力，成為自由電子，不受原子或分子的包圍。離子是化學物種的一種，成因是質子的數目與電子不同而帶有電荷。自由電荷使得等離子有導電性，而使得它對磁場有強烈反應。在極高温的情況之下，例如在恆星中，基本上假設電子是自由運動的，而極高能量的等離子像是一個空的原子核在電子海之中。等離子相是宇宙中最常見的物質狀態。等離子可以考慮為被高度離化的粒子，但因為粒子之間有極強的離子吸力而擁有截然不同的特性。因此被認為是一不同的相或者物質形態。

等離子體是由大量帶電粒子和中性粒子組成的，在電磁力作用下，粒子的運動和行為以集體效應為主的體系。而等離子體的集體效應，是指由於電磁等長程力的作用，粒子的運動狀態不僅取決於該粒子附近的局部條件，還取決於遠離該粒子的其他區域的狀態。等離子體狀態是區別於固態、液態和氣態的另一種物質存在狀態，常稱為物質第四態。等離子體廣泛出現在茫茫的宇宙之中。在地球表面，閃電、極光等是地球上的天然等離子體的輻射現象。此外等離子體只能人為產生，如充氣電子管、日光燈、霓虹燈、電弧、氣體放電等設備中產生的由電子、離子和中性粒子所組成的電離氣體就是等離子體，整體呈電中性。等離子體具有廣泛的技術應用，如空間技術、受控熱核聚變、同位素分離、無線電通信等 ^[8]  。

由歐洲核子研究組織（簡稱CERN）在2000年發現。因為質子和中子都是由夸克構成，而夸克能透過這種物質狀態中釋放出來，並能獨立觀察。科學家可以透過這種物質狀態下觀察夸克的特性，是從理論到實踐的一大飛躍。

夸克膠子等離子體是由許多夸克、反夸克和膠子組成的多體系統。簡稱夸克物質。所有的強相互作用粒子即強子，都是由夸克、反夸克和膠子構成的。迄今為止，不論在自然界，或通過實驗手段都沒有找到自由存在的夸克和膠子。然而，描述強相互作用的規範場理論預言，在超過一定的臨界能量密度（大約10²⁴電子伏/米³）時，夸克、反夸克和膠子可能衝破單個強子口袋的禁閉，而在一個大得多的空間範圍內自由運動，形成夸克膠子等離子體 ^[9]  。

在極高壓的環境下，常温物質會轉變成一連串奇怪的物質狀態，統稱簡併態物質。這引起了天體物理學家的興趣。因為他們相信在恆星中，當核聚變的“燃料”用盡時會出現這種情況，例如白矮星和中子星。

中子星主要由簡併中子組成的性質奇特的緻密天體。1932年發現中子後不久，L.朗道就提出可能存在由中子組成的緻密星。1939年J.奧本海默和G.沃爾科夫通過計算建立了第一個中子星的模型。大質量恆星耗盡內部核燃料後，星核坍縮，在某一點幾乎所有的自由電子將被迫與原子核中的質子結合形成中子。中子星的引力把大部分自由電子壓進原子核裏，強迫它們與質子結合形成中子。中子星的密度極高，一匙勺中子星物質重10億噸，它與質量為1.7×10^－24克、“半徑”為10^－13釐米的單箇中子的密度相似。中子星有極高的核密度以及極強的引力場 ^[10]  。

超固體可以在指定的空間下有秩序排列（即是固體或者晶體），但卻擁有例如超流體等多種非固體特性，因而被納入新的物質狀態。

超固體也稱超結構（超點陣），是有序固溶體結構的通稱。當固溶體有序化後，晶胞中的各個座位變得不等同了，不同組元的原子分別優先佔有特定的座位。當完全有序實現以後，晶體的結構類型就發生變化，有時甚至點陣類型也發生變化。完全有序化後，點陣類型也轉變為簡單立方型，但習慣上仍稱之為具有超結構的固溶體 ^[11]  。

在正常的固體狀態下，物質中的原子應以網狀排列，因此對於任何一粒電子，它相鄰的電子的自旋方向應與它自身相反。但在弦狀網液態下，原子會以某種形式排列從而令到部分相鄰電子的自旋方向與它的方向相同，因而出現一些獨特的性質。有趣的是，這些特質對解釋在基礎情況下的宇宙中一些奇異現象有幫助。

弦狀網液態又稱液態亞點陣。可以認為快離子導體的點陣是由兩個亞點陣構成的，一個是不運動離子構成的剛性亞點陣，另一個是可運動離子構成的亞點陣。剛性亞點陣為可運動離子提供很多能量上近似相等的位置，可運動離子就無序地分佈在這些位置上，因而稱為液態亞點陣。實驗上已證實液態亞點陣的存在。快離子導體兼有固體和液體的特性 ^[12]  。

可以通過將液態物體加壓或冷凍至凝點，也可以將超固態的物質減壓生成。

可以通過固態物質加熱或減壓生成，也可以通過氣態物質冷凝或加壓生成。

可以將液態物質蒸發。