本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
今天是《大众科学》博客网络的化学日，在为寻找相关的物理学主题而苦思冥想时，我在1991年的电影《终结者2：审判日》中找到了灵感。约翰·康纳再次身处险境，这次来自一种新的、改良的终结者机器，即T-1000。最初的杀戮机器（由阿诺·施瓦辛格饰演）现在成了“好人”，已经被重新编程来充当康纳的保护者。
[注意：以下内容包含剧透。但如果你还没看过这部电影，你到底怎么了？都20年了！] 不幸的是，被重新编程的终结者是老旧过时的，采用的是过时的技术。T-1000是最新最厉害的，并且几乎坚不可摧，这要归功于制造它的材料：一种奇怪的金属物质，可以在液态和固态之间来回转换，使其能够穿过金属栅栏，并呈现它接触到的任何人（或任何事物）的外观。
它还能几乎瞬间从子弹、火箭筒甚至被劈成两半的伤口中痊愈。把它的头炸掉？它会重新组合起来。（该链接将带您到YouTube上的一个片段。）砍掉它的胳膊？没问题！T-1000会自行融合在一起并继续前进。
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到底该如何摧毁这种东西？其中一个高潮场景——您可以在这里观看）——涉及一场汽车追逐戏，约翰、他的母亲和阿诺德被乘坐液氮半挂车的T-1000追赶。阿诺德撞毁了半挂车，液氮洒得到处都是。因此，当T-1000像往常一样毫发无损地从残骸中出现时，它冻结成了一块金属冰。阿诺德用经典的台词“Hasta la vista, baby！”将冻结的T-1000炸成了碎片。你会认为事情就到此为止了，但T-1000还没完。你看，他们撞进了一家冶炼厂，火花四溅，缓慢地加热着冰冻的碎片，直到它们融化。一旦回到液态，所有碎片重新融合只是几分钟的事情
T-1000独特能力背后有很多引人入胜的化学和物理学原理，但我将重点关注相变。我们大多数人在科学课上被教导物质有三种基本状态：固态、液态和气态。（还有第四种状态，等离子态，主要存在于太空和物理实验室中。）任何物质都有一个特定的时刻，当压力或温度恰到好处时，它会从一种状态转变为另一种状态。水是最常见的例子：充分降低温度，它就会变成冰；将温度升高到沸点，它就会蒸发成蒸汽。这就是相变。
发生这种情况的精确时刻被称为临界点，此时物质完美地平衡在一种相和另一种相之间。即使对于同一种物质，临界点也可能不同。在海平面，水在212华氏度（100摄氏度）沸腾，在32华氏度（0摄氏度）结冰。但是尝试在丹佛——一英里高的城市——煮水，你会发现
由于大气压较低，你需要将其加热到更高的温度。更正：在丹佛，沸腾的温度实际上更低。根据维基百科（以及一些评论者）
水的沸点通常被认为是 100 °C 或 212 °F。压力和液体成分的变化可能会改变液体的沸点。因此，高海拔烹饪通常需要更长的时间，因为沸点是大气压的函数。在科罗拉多州丹佛市，海拔约一英里，水的沸点约为 95 °C。[2] 根据食物的类型和海拔，沸水可能不够热，无法正确烹饪食物。
相变很可能是物理学中最令人着迷的领域之一：不同的物质在不同的温度和压力点下表现不同——有时以非常显著的方式。然而，人们很容易失去对它的惊奇感，因为我们每天都在我们周围看到相变。当然，你可以对几乎任何常见的材料产生某种相变，但关于其背后的物理学原理，还有很多东西需要学习。
状态的改变
极高的温度和压力可以为即使是像水这样的常见物质带来新的和有趣的特性。例如，纯水在正常状态下不是导体。是水中的离子（如溶解盐中的 Na+ 和 Cl-）携带电流。海水的导电性大约是超纯水的 1,000,000 倍。但是，当您将水升温并加压到令人难以置信的高水平时，会发生什么呢？
2006 年，《物理评论快报》上发表了一篇文章，描述了桑迪亚国家实验室的科学家进行的一项新的计算研究的结果，该研究表明，一种新的导电形式的水——被称为“金属水”——可能在 4000 开尔文的温度和 100 吉帕斯卡的压力下出现。在那种状态下，水拥有超高的能量密度，远远超过地球上任何地方自然发生的能量密度。事实上，需要与木星等气体巨行星内部被认为存在的温度和压力相当的条件，才能在实验室中产生相当的能量密度。
（关于单位的附注，由 2006 年的评论员 Alison Chaiken 提供：一个大气压约为 100,000 帕斯卡，这又相当于约 15 磅/平方英寸。一个吉帕斯卡是 10^9 帕斯卡 = 10,000 个大气压。让我们算一下，10,000 个大气压 = 150,000 磅/平方英寸，因此，如果你拿一个 150,000 磅重的物体，并将其平衡在一个邮票大小的柱子上，你就会得到一个吉帕斯卡的压力。）
我们所知的氢气是一种气体（也是水，H20 的关键成分），但在木星上，人们认为它以超热液态金属的形式存在，因为那颗行星具有极端的压力和温度。尤金·维格纳早在 1935 年就预测，如果你足够用力地挤压氢气，它最终会金属化，但所需的压力非常大，以至于物理学家在 60 年内都无法实现它。1996 年，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的科学家威廉·内利斯宣布成功实现了金属氢。
对于 T-1000，我们谈论的是某种新的、至少在现实世界中尚未被发现的物质状态。或者可能不是。T-1000 在其非晶态时，与铁磁流体惊人地相似，铁磁流体是一种会响应磁场而改变其相位的物质。从技术上讲，它被归为“胶体悬浮液”，这适用于具有多种物质状态特性的材料——在 T-1000 的情况下，是固态和液态。
铁磁流体由微小的磁性碎片制成，通常是铁，悬浮在煤油或另一种类型的油中，并掺入少量的表面活性剂（如油酸）以防止其结块——至少，在您想要通过施加精心控制的磁场来使碎片开始结块之前不会结块。这使其成为在硬盘驱动器中旋转驱动轴周围形成液体密封的理想物质，驱动轴通常被磁铁包围，这些磁铁将铁磁流体固定到位。铁磁流体密封确保碎片不会进入您的硬盘驱动器。
您可以购买铁磁流体，但它们非常昂贵，因此《大众科学》会很有帮助地告诉您如何自己制作。您还可以使用铁磁流体制作一些令人惊叹的动态“雕塑”，战略性地应用磁场来创造不断变化的优美形状
考虑球形相变
当实验主义者忙于研究不寻常的物质相时，理论家们也没有闲着，当然没有！事实上，相变在最终接受“原子论”——物质是由单个原子组成的观念，可以追溯到古希腊的德谟克利特——中发挥了作用。
他的同伴认为他有点疯癫，坚持认为存在没有人见过的微小事物，但德谟克利特认为，协同作用的单个原子可以解释不同物质相之间明确的界限，就像水变成冰或蒸发成蒸汽时一样。具体来说，他认为原子水平上的微小变化最终可能会影响更大规模上发生的事情。碰巧的是，这种微小波动导致给定系统中大规模变化的特性是现代混沌理论的本质。德谟克利特遥遥领先于他的时代。
顺便说一句，这是一个非常激进的想法，并且大约两千年都没有获得认可。化学家在这方面领先于物理学家：他们在 19 世纪接受了原子的概念，而物理学家之间的争论一直持续到 20 世纪初。但是，物理学家随后通过发明量子力学和其他革命性理论来弥补了失去的时间，所以这一切都还好。
但是，相变在理论上仍然令人困惑。当然，到 1937 年，已经有了一个关于相变的通用理论，但物理学家们努力提出一个精确的理论来解释临界点到底发生了什么。当人们越来越接近那个点时，方程式就崩溃了。
更具挑战性的是，相变不止一种。例如，存在一级相变，它会突然发生，例如沸水或融冰。二级相变发生得更平稳和连续，例如铁、镍和钴等金属中的铁磁性转变为顺磁性，或者当物质变成超导体时。
一位名叫肯·威尔逊的物理学家意识到，相变是一种临界现象，因此，至少从理论角度来看，它与大多数其他物理现象根本不同。他因其工作获得了 1982 年诺贝尔物理学奖。
基本上，如果您处理的是“正常”的东西，例如无线电波或可见光，那么您处理的是与现象相关的设定长度尺度的系统，这意味着您只需要考虑大规模的波动。但是威尔逊发现，在相变的临界点，您还必须考虑长度尺度不同的许多其他波动，一直到原子水平。您必须考虑整个频谱，而不仅仅是其中的一部分。
令人困惑，对吧？这里有一个更简单的方法来可视化它，由 时间领主 提供，他从与熵和宇宙起源的斗争中抽出几分钟时间，向我介绍了被称为“伊辛模型”——相变物理学的典型模型——的基础知识。（物理学家确实喜欢他们的 球形奶牛。）
想象一个二维晶格或网格。晶格上的每个点都有一个粒子，该粒子在该点具有称为“自旋”的属性，并且它只能处于两种状态之一：“自旋向上”或“自旋向下”。这有点像计算机的 0 和 1。理想情况下，自旋都喜欢彼此对齐。它们不在乎是指向上还是向下，只要它们都指向相同的方向即可。因此，随着时间的推移，在合适的条件下，自旋会将自身排列成那种完美有序的排列。施加磁场可以通过使所有自旋翻转到向上或向下位置（取决于磁场的方向）来加速该过程。
伊辛模型从完全有序的状态（“无限有序”）开始，但是如果您不引入一些新变量，模型有什么用呢？在这种情况下，新变量是温度。想象一下，我们现在逐渐开始加热伊辛晶格。然后会发生什么？自旋开始抖动（因为现在它们具有更多能量），并且其中一些开始改变状态（从向上到向下，或从向下到向上，取决于您的起始自旋状态）。随着温度升高，它们抖动得越来越快，直到它们达到一个极高的温度，此时所有原始秩序都消失了，因为自旋抖动得太厉害了。现在我们有了“无限无序”（参见图，左上角）——一种混沌，在物理学/数学意义上。
想象一下，您跟踪这个逐渐加热的过程，在随机点偶尔拍摄快照，并记录在每个点自旋的排列如何变化。
早期，你会发现几乎所有的“自旋向上”都带有一些“自旋向下”的团块。然后，随着您提高温度，团块会越来越多，因为如前所述，自旋倾向于与其最近的邻居在同一方向上对齐。您很快就会开始在“自旋向上”的海洋中看到更多各种尺寸的小“自旋向下”域（参见图，底部）。
您将知道何时达到临界点——相之间实际转变的时刻，当系统完美地平衡在一种相和另一种相之间时——因为您将拥有各种尺寸的团块（参见图，右上角）。
这就是物理学家发现自己摇摆在混沌边缘的地方。他们有兴趣跟踪给定相的各种属性如何在系统接近转变的临界点时发生变化：声速、热容量等等。他们可以计算这些属性的值，而且通常情况下，这些值在临界点变为无穷大——方程式实际上崩溃了。这对物理学家来说是一个线索，表明真正有趣的事情正在发生。
伊辛模型非常有用，已被应用于各种复杂的系统，从原子和蛋白质折叠，到鸟群的动态、神经网络，甚至社会行为，特别是人类修改其行为以符合其社交圈中其他人的行为方式的趋势（即，同伴压力）。
宇宙相变
关于相变还有一件有趣的事情——它们可能能够揭示我们宇宙早期的情况。早在 2006 年，意大利萨莱诺大学的物理学家报告了他们为利用水中相变的另一个不寻常特征所做的努力。快速冷冻水会产生不止一个，而是多个晶体，这些晶体被所谓的“缺陷”分隔开，缺陷是晶体相遇的地方。（在液晶中，这种快速冷却会产生“结”。）该理论——似乎已被实验证实——是缓慢冷却水将产生单个光滑的晶体。
类似的模式可以告诉我们一些关于我们早期宇宙的信息：也就是说，有一种理论预测了冷却速率与我们宇宙中拓扑缺陷发展数量之间的精确关系。目前的工作理论是，宇宙在大爆炸后冷却得如此之快，以至于它经历了一系列相变，但不是“冻结”成不同的物质状态，而是冻结成了基本力的状态：电磁力、强核力和弱核力以及引力）。萨莱诺的研究人员进行了迄今为止对该理论最精确的实验室测试之一，对一对铌环进行了超冷却，结果与那些预测非常吻合。
这就是你所拥有的：从 T-1000 到我们早期宇宙的旅程，通过像水变成冰这样简单的东西连接起来。