改變狀態：日常裡的小奇蹟
你這輩子一直在看物質改變它的性格，卻大概從沒把它叫作物理。溫桌上的一塊冰先變軟，再變濕，然後消失。水壺嘶嘶作響，水化成蒸汽不見了。這些並不是什麼微小的化學把戲——水自始至終都是同一攤水，同樣的分子，只是排列方式天差地別。我們說，水從一個[[phase|相]]走到了另一個相：固態到液態，液態到氣態。改變發生的那一刻，就是一次[[phase-transition|相變]]。
所謂相，不過是物質能夠安頓下來的一種方式，在這種方式裡，它的大尺度性質——有多硬、怎麼流動、能不能導電——大體上處處一致。固、液、氣是你從小就熟悉的三種，也就是常說的[[states-of-matter|物質狀態]]。但這個概念遠比這三種寬廣。一塊吸得住東西的磁鐵，和一塊已經軟下來的磁鐵，是同一塊鐵的兩個不同的相。一塊金屬，和它被冷卻後變成的超導體，也是兩個相。這整條學習線令人驚訝的主張是：所有這些轉變，無論看上去多麼不同，都遵守一小套共通的規則。
兩大家族：驟變與漸變
並不是所有相變在發生時感覺都一樣。仔細看冰融化，你會注意到一件怪事。當你給冰加熱，它的溫度爬升到攝氏零度——然後停住了。你繼續往裡灌熱量，可溫度計就是不肯動，直到最後一點冰也化光。只有到那時，溫度才重新開始上升。你灌進去的能量並沒有讓水變熱；它全都用來把固體拆散成液體了。這股被隱藏、被吞掉的能量，有個名字：[[latent-heat|潛熱]]。
像這樣會吞掉潛熱、固液能在同一溫度下並肩共存、物質從一個相猛地跳到另一個相的相變，叫作[[first-order-transition|一級相變]]。沸騰也是一種。它標誌性的感覺是不連續：某樣東西——這裡是密度——會突然一躍。液態水的密度大約是蒸汽的一千倍，而在沸點上，它一下子就完成了這一躍。中間沒有任何溫柔的過渡。
但還有第二個、更奇怪的家族。拿一塊磁鐵來加熱。它並不會在某個戲劇性的瞬間突然失去磁性。相反，當它接近某個溫度時，它的吸力會平滑地褪去，越來越弱，直到在某個特殊的點上恰好歸零——而且沒有潛熱要吞，也沒有兩個相並肩共存。這種改變是連續的；它是悄悄逼近你的。這就是[[second-order-transition|二級相變]]（也叫連續相變），本條學習線裡最深刻、最美的物理，就住在這裡。
- 一級相變：有一個跳躍。密度、體積或磁化突然一躍，潛熱被吞掉，兩個相可以共存（想想漂在水裡的冰）。
- 二級相變：沒有跳躍。改變是平滑、連續的，沒有潛熱，也沒有共存——兩個相在某個特殊溫度下天衣無縫地合而為一。
- 最快的判別：問問看，在轉變點上這種物質會不會同時持有兩個相。會，就是一級；如果它平滑地滑過去，就是二級。
為什麼會跳，又為什麼有時不跳
這差別從哪兒來？把每個相想像成能量地貌裡的一道山谷。大自然一如既往地懶，會把球滾向最低的那道谷。當你改變溫度，你就在傾斜這片地貌。在一級相變裡有兩道分開的山谷，當你傾斜時，其中一道沉到了另一道下面。球必須翻過一道山脊，從舊谷跳到新谷。這一跳是突然的，而兩道谷底之間的落差，就是潛熱。因為這兩道谷是真真切切分開的，所以直到跳躍發生的那一刻，兩個相都是真真切切不同的。
在二級相變裡，故事要溫柔得多。這裡只有一道山谷，但當你傾斜地貌時，谷底會緩緩改變形狀——它變軟、變寬，而最低點平滑地從一處漂移到另一處。沒有山脊要翻，沒有落差，沒有潛熱。你最終落進的那個相，是從你出發的那個相裡，靠著無數微小連續的步子長出來的。這正是為什麼一塊被加熱的磁鐵不會咔噠一聲關掉，而是漸漸淡去。本條學習線接下來的篇幅，都將用來揭開這漸漸的淡去原來有多豐富、多出人意料。
差別消融的那個奇怪地方
這裡有一個讓最早發現它的物理學家吃驚、也可能讓你吃驚的事實。把液態水和蒸汽分開的那條線——沸騰曲線——並不會一直延伸下去。如果你把水關進一個結實的密封容器裡，把溫度和壓強同時往上猛推，你會到達一個特別的位置，在那裡，液體和氣體之間的差別乾脆就消失了。稠密的液體和稀薄的氣體變得無法分辨；不再有任何把它們分開的表面，沒有液面，也沒有沸騰。這個終點，叫作[[cm-critical-point|臨界點]]。
臨界點正是一級家族與二級家族相遇的地方。沿著沸騰線靠近它，密度的跳躍會越來越小，直到恰好在臨界點上縮成了零——一級相變軟化成了二級相變。這裡正發生著某種深刻的事，而臨界點附近的物質會以詭異而戲劇化的方式表現：它會閃爍、散射光、再也拿不定主意要當液體還是氣體。這些狂野的舉動，叫作臨界現象，正是本條學習線盡頭的獎賞。