众所周知，世界是由物质组成的，物质科学的研究成就向我们展示了一个大到总星系、星系团、银河系、太阳系、地球、月球，小到分子、原子、原子核、粒子的结构层次。从空间尺度上讲，已知的物质世界在以米为单位的尺度上，至少跨越了42个数量级（
）。以时间表征物质运动的持续性，物质时间尺度的数量级从
粒子寿命的
到宇宙年龄的
，跨越了43个阶梯（如图2所示）。在以千克（kg）标准单位对物质惯性和万有引力强度性质进行描述时,物质的静质量尺度的数量级梯度是如图3所示的87个数量级。
现代科学已经证实,在这千姿百态、变化多端的物质世界中, 一切物质都是由大量微观粒子组成的。它们在特定温度和压力下相互集聚, 构成一定的稳定结构, 这就是物质的一种状态,简称物态。一般说来, 任何一种物质在不同温度、压力以及外场(如引力场、电场、磁场等)影响下将呈现不同的物态。有时一种物质在某种温度、压力下可能有几种不同状态同时存在。在一定条件下, 物质的各种聚集态可以相互转化。物质中具有相同化学成分和晶体结构的部分被称为相。相与相之间的转变叫相变。
一般情况下, 根据物质的宏观状态来区分物质的状态。把具有固定形状和体积的物态叫固态； 把虽具有一定体积,但外形随容器而变, 且易于流动的状态叫液态；没有固定形状和体积, 能自发充满任何容器的状态称为气态。这就是人们常说的物质"三态"。
从广义上讲,特别是从物质的微观结构和无序性(或有序性)来考虑, 物质的状态可以有结晶态、非晶态、液态、液晶态、气态、等离子态、超流态、超固态、中子态、黑洞等。
图4 设想的物态总图
图5 运用超导技术制造的超导列车具有广阔的前景
在物质分子热运动动能远大于分子之间相互作用势能条件下, 分子位置彼此无关联, 物质处于完全无序的状态。称为气态。气态物质密度小, 分子间平均距离大, 因而分子间相互作用力很弱, 只是在相互靠近而发生碰撞时, 吸引力和排斥力才明显地表现出来。频繁的碰撞是气体分子热运动的主要特征,也是产生某些宏观现象(如压强、内摩擦、热传导、扩散等)的微观本质。在不与外界发生任何相互作用时(如重力场、磁场作用), 气体会自动趋向于稳定均匀的平衡态, 各个分子出现于容器某处、朝某方向运动的机会都完全相同, 对称性最高。
气体被加热到几千度以上的高温后,气体中原子被电离成正离子和电子,而呈现一种 的状态,这种状态的物质称为等离子体,其显著特征是具有高温、高流动性和高导电性.等离子体具有一系列诱人的特征和主要应用。
在从地球电离层间外的整个宇宙中,绝大部分物质以天然等离子态存在,如太阳和所有恒星、星云都是等离子体。地球上,只有闪电、极光是天然等离子体形成的自然现象.但人造等离子体却很多,如霓虹灯、电弧、白光灯、磁流体发电、受控热核反应中的工作物质都是等离子体。
等离子体形成的星系
当物质分子热运动动能与分子间相互作用势能相当时, 分子足以建立起分子间暂时的局部结构,但分子间仍有较大活动余地,分子间的“伙伴”关系不断随时间改变,“定居”与“搬迁”交替进行, 这就是物质的液态。图7是液态金属的结构示意图, 由图可见, 液态金属中存在着大小不一的原子规则排列小区域, 由于这些小区域的尺寸很小, 因此, 液态的结构特点可概括为“近程有序”。与气态相比, 液态的有序程度较高, 对称性较低。
处于液态的物体称为液体。液体可分为缔合性液体(如水), 非极性液体(如石油), 极性液体(溴化氢), 金属液体(如汞), 量子液体(如氦)等类型。当作用于液体的力很短促(小于"定居"时间)时, 有可能使液体发生弹性形变或脆性断裂等类似于固体的力学现象, 如图8所示。近程有序程度相当高的液体兼有液体和晶体的某些特性, 如流动性, 各向异性等, 称为液晶。对液晶的研究是现代物理学的前沿课题之一, 法国科学家德比纳关于液晶的理论获得1991年诺贝尔物理奖。
图8 液体碎片
当物质分子热运动动能远小于分子间的相互作用势能时, 分子力作用上升到主要地位, 分子运动降到次要地位, 组成物质的粒子(分子、原子或离子)只能在各自的平衡位置附近作微小振动,这就是物质的固态。处于固态的物质称为固体。与液体相比, 固体物质结构有序程度增加, 对称性降低。
固态物质按其原子(或分子)的聚集状态而分为两大类: 晶体与非晶体。虽然我们看到自然界的许多晶体具有规则的外形(例如天然金刚石、结晶盐、水晶等), 但是, 晶体的外形不一定都是规则的, 这与晶体的形成条件有关。如果条件不具备, 其外形也就变得不规则。所以, 区别晶体和非晶体, 不能根据它们的外形, 而应以其内部的原子排列情况来确定。两者的根本区别是在三维空间中原子(或分子)的排列是否具有规则的周期性重复排列。
组成晶体的微观粒子在三维空间中作严格的有规律周期性排列。地球上晶态物质比比皆是, 类型繁多, 它们虽然在颜色、外形、比重、硬度、黏度、透明度、气味等方面不尽相同, 但具有最基本的共同特征。从宏观角度看, 外观上对应晶面的夹角恒等(即晶面角守恒); 物理性质(机械性能、导热性、导电性、磁性、折射率等)表现为各向异性。微观结构上最本质的特征是远程有序,即某种规则结构周期性地重复出现在晶体中。为了描述晶体点阵的这种周期性排列规律和特点, 可在其点阵种取出一个具有代表性的基本单元(通常是取一个最小的平行六面体)作为点阵的组成单元，这个基本单元称为晶胞。不同形状的晶胞就对应着不同的晶体, 共计14种。如图10所示的结构图, 是简单立方晶体, 其晶胞为立方体。 图11所示为紧密六方晶体的结构。
(a) 密排六方晶体钢球模型 (b) 密排六方晶胞
非晶体的微观结构特征是近程有序(在极小范围内规则排列)而远程无序。如玻璃、塑料、沥青、玛瑙、琥珀等。
从中可以看到, 非晶体实际上是晶格被破坏了的固体, 在整体上是无序的、无定形的。非晶体的近程有序结构与液体相似, 所以它又可以视为被“冻结”的无序结构, 或称“过冷”液体。非晶体的另一特征是物理性质各向同性。非晶态半导体在太阳能电池、复印材料、存储器件等方面都有广泛应用。玻璃态金属具有比一般金属好的弹性, 较高的电阻率和优异的防辐射性能, 可用于宇航、核反应堆和受控热核反应。"自旋玻璃"是研究神经网络功能所采用的模型。
非晶体在一定条件下可以转化为晶体。例如，玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃；通常呈晶态的物质，如果将它从液态快速冷却下来也可能得到非晶体。
图12 晶体与非晶体的结构比较
相可定义如下:“相是系统中均匀的与其他部分有界面分开的部分。”所谓均匀的，是指这部分的成分和性质从给定范围或宏观来说是相同的，或是以一种连续的方式变化，也就是没有突然的变化。一个多相系统是不均匀的，在相界处有物理性质或化学性质或两者兼有突变。例如,在一个包含有冰和水的两相系统中，其物理性质在相界面处有突然变化。又如，图13所示的球墨铸铁的显微组织，图中(a)是铁素体基体的二相图，黑色为碳的相。(b)图却有三个相，比(a)图多了珠光体--铁素体和渗碳体的混合相（图中无规则黑色部分）。这些图形明显地给出了不同相间的分界面。
在一定条件下，物质不同相之间的相互转变叫做相变。如果系统中各相经历很长时间而不互相转化，则是处于平衡状态。实际上相平衡是一种动态平衡，从系统内部来看，分子或原子仍在相界处不停地转换，只不过同一时间内各相之间的转化速度相同。
相变是有序和无序两种倾向相互竞争的结果。相互作用是有序的起因，热运动是无序的来源。在缓慢降温的过程中，每当温度降低到一定程度，以致热运动不再能破坏某种特定相互作用造成的有序时，就可能出现新相。以铜镍二元合金为例(如图14)：合金从液态开始缓慢冷却，当温度降到液相线（1点）时，结晶开始。此时结晶出来的极少量固相成分为
，液相的成分基本未变。随着温度降低固相逐渐增多，液相不断减少。液相的成分沿液相线变化，周期的成分沿固相线变化。
以系统的状态参量为变量建立坐标系，其中的点代表系统的一个平衡状态，叫做相点，这样的图叫相图。图15是常用的与热现象有关的 p-T 相图。图中曲线由相平衡点连接而成：OA是气固平衡线，AB是液固平衡线，AC是气液平衡线。这些相平衡线将 p-T 图划分为不同区域，每个区域代表一种相。三条相平衡线的交点（A）叫做三相点，在这一点，气、液、固三相可以共存。图中C为气液相变的临界点，在这一点汽化热为0，超过这一点气态和液态的差别不复存在，物质可由P点的液相沿虚线连续地转变为Q点的气相，而不需要经过一个两相共存的不连续阶段。
图13 球墨铸铁的显微组织
图15 一般物质的p-T相图
