物质的态与相

以下文章来源于中国物理学会期刊网 ，作者叶麒俊 等
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|作者：叶麒俊1,2 欧阳霄宇1 李新征1,2,†
(1 北京大学物理学院 人工微结构与介观物理国家重点实验室 纳光电子前沿科学中心)
(2 轻元素量子材料交叉平台 量子物质科学协同创新中心)
本文选自《物理》2023年第11期
在现代物理学研究中，物质的态与相扮演着重要的角色。它们之间既有联系，又有形成时间的不同以及具体涵义的差异。文章把两个概念的认识过程分为三个阶段：(1)贯穿整个19世纪的第一阶段，主题大致可归结为“态与相概念的先后提出”，将围绕当时人们在描述物质存在形式时“从理想气体的克拉珀龙方程到真实体系的范德瓦耳斯模型”展开；(2)19世纪末至20世纪中期的第二阶段，主题是“对相理解的深入”，将从居里—外斯定律的发现出发，重点介绍楞次—伊辛模型的提出及其解；(3)第三阶段为20世纪中期开始的更为系统的相变理论的发展，落脚点是“物性的解析表述”。希望通过这个回顾，能够让人们更加关注杨—李理论这一瑰宝，进而加深对物质的态与相这两个概念以及对相变概念的理解。
01
引 言
物质的态与相(state of matter 与 phase of matter)往往是物理学初研者最早接触的概念[1，2]，但对它们的理解，却通常不够深入。我们经常使用分子动力学模拟物性，利用结构与动力学的信息描述物质的存在形式。在此过程中，“相”被广泛使用，但很多情况下这一概念的严格定义却未被深究。直到三年前，面对一个关于高压冰动力学状态的问题，同事全海涛教授提醒我注意这两个概念的差别。这促使我们深入学习相变理论，尤其是杨—李理论1)，并据此完成了两项理论工作[3，4]。
本文将以“历史的发展”作为主线，按黑格尔所提倡的“历史与逻辑相统一”的方式，回顾“物质的态与相”这两个概念的形成与演化。总的来说，这两个概念的形成与演化可分为三个阶段。
(1)19世纪，“态”的描述与“相”的提出。时人多以“态”(state)和“状态方程”(equation of state)来描述物质的存在形式，代表成果为理想气体的克拉珀龙状态方程，以及进一步修正的范德瓦耳斯真实气体状态方程[5—8]。但“混合液体”的存在挑战了这一范式，吉布斯为此引入了“相”(phase)的概念[9，10]。