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1舉例說明

躲避
首先我們知道容器中的大球、小球都在不停地做隨機運動,同時小球也在不停地從各個方向撞擊著大球。在每一時刻,大球在不同方向上受到的小球撞擊一般來說是不一樣多的,大球就會因為受力的不同而向某個方向運動。當大球碰到了容器壁的時候,大球會發現靠著容器的一邊不會有東西撞它了,所有的撞擊都來自另一邊。於是這些撞擊就迫使它靠在容器的邊緣上了。實際的過程比我們這裡的分析的要複雜,但大體的情況就是如此——大球為了躲避小球「蚊子」的「叮咬」而藏在了牆邊上。
軟物質概念
上面講的這個實驗討論的物理體系就是屬於被稱為軟物質的物理體系。1991年,諾貝爾獎獲得者、法國物理學家德熱納(P. G. De Gennes)在諾貝爾獎授獎會上以「軟物質」為演講題目,用「軟物質」一詞概括複雜液體等一類物質,得到廣泛認可。從此軟物質這個詞逐步取代美國人所說的「複雜流體」,開始推動一門跨越物理,化學,生物三大學科的交叉學科的發展。
重要特徵
對於軟物質德熱納給出一個重要的特徵:弱力引起大變化。在他的科普作品《軟物質與硬科學》一書中以橡膠為例,說明了軟物質的性質。放進一點硫,液態的橡膠樹就變成了固態的橡膠;一點骨膠可以使墨汁多年不變質;一點滷汁使豆漿變成豆腐;非常微弱的電流,就能使液晶從透明變成不透明。這些現象告訴我們:你只須施加微小的作用,軟物質的形狀和性質就會大變。純天然的橡膠乳液氧化形成了固化的橡膠,但這種橡膠非常不結實,很容易就會因為空氣的繼續氧化而破碎。而將天然橡膠硫化之後就變得非常的耐用,不容易破碎。與氧同族的硫元素僅僅比氧的化學活性略差一點,但達到的效果卻迥然不同。這就是所謂的弱力引起大變化。德熱納在書中寫到:「如果你數一數與硫磺反應的碳原子數目,你會發現其只佔1/200,這是一個具有代表性的數據。然而,這種及其微弱的化學反應已經足可以引起物質的物理狀態從液態變到固態:流體變成了橡膠。這證明物質狀態能夠通過微弱的外來作用而改變狀態,就如雕塑家輕輕地壓一壓大拇指就能改變粘土的形狀。這便是軟物質的核心和基本定義。」我們前面大球、小球的例子也可以看出這一點,微小的陰影重疊就造成了粒子分佈的迥然不同。

物理體系的狀態

物理體系的狀態可以由體系的內能以及熵與溫度的乘積來共同描述。由於內能的變化與體系受力相關,那麼在一定溫度下,對於軟物質,如果受到的力不大,那麼其內能的改變也不會大,而在這樣的弱力作用下,又要求體系發生比較大的變化,那麼就一定得要求它的熵變化劇烈。也就是說,在軟物質中體系的變化主要是由熵引起的,或者說熵佔據了主導地位。這樣軟物質就可稱作是由熵操縱的物質。在熵力的作用下,軟物質體系會出現很多新奇的行為,比如原本混亂的微觀體系會變得井然有序,複雜的蛋白質分子會自行摺疊成特殊的結構等等。利用這些性質,我們可以製造許多有特殊性質的軟材料,它們是硬材料難以取代的。20世紀的物理學開拓了對物質世界的新認識,研究和深入認識了「硬物質」,如金屬,半導體,陶瓷等等,對於技術和社會產生了巨大推動作用。21世紀被稱為生命科學的世紀,然而,任何生命結構(DNA、蛋白質等等)卻正是建立在軟物質的基礎上。作為人類未來技術中的重要組成部分以及生命本身不可或缺的基石,軟物質的許多新奇行為、豐富的物理內涵和廣泛的應用背景引起越來越多物理學家的興趣。軟物質物理已經成為物理學的一個新的前沿學科,是具有挑戰性和迫切性的重要研究方向。
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