改变状态：日常里的小奇迹
你这辈子一直在看物质改变它的性格，却大概从没把它叫作物理。温桌上的一块冰先变软，再变湿，然后消失。水壶嘶嘶作响，水化成蒸汽不见了。这些并不是什么微小的化学把戏——水自始至终都是同一摊水，同样的分子，只是排列方式天差地别。我们说，水从一个[[phase|相]]走到了另一个相：固态到液态，液态到气态。改变发生的那一刻，就是一次[[phase-transition|相变]]。
所谓相，不过是物质能够安顿下来的一种方式，在这种方式里，它的大尺度性质——有多硬、怎么流动、能不能导电——大体上处处一致。固、液、气是你从小就熟悉的三种，也就是常说的[[states-of-matter|物质状态]]。但这个概念远比这三种宽广。一块吸得住东西的磁铁，和一块已经软下来的磁铁，是同一块铁的两个不同的相。一块金属，和它被冷却后变成的超导体，也是两个相。这整条学习线令人惊讶的主张是：所有这些转变，无论看上去多么不同，都遵守一小套共通的规则。
两大家族：骤变与渐变
并不是所有相变在发生时感觉都一样。仔细看冰融化，你会注意到一件怪事。当你给冰加热，它的温度爬升到摄氏零度——然后停住了。你继续往里灌热量，可温度计就是不肯动，直到最后一点冰也化光。只有到那时，温度才重新开始上升。你灌进去的能量并没有让水变热；它全都用来把固体拆散成液体了。这股被隐藏、被吞掉的能量，有个名字：[[latent-heat|潜热]]。
像这样会吞掉潜热、固液能在同一温度下并肩共存、物质从一个相猛地跳到另一个相的相变，叫作[[first-order-transition|一级相变]]。沸腾也是一种。它标志性的感觉是不连续：某样东西——这里是密度——会突然一跃。液态水的密度大约是蒸汽的一千倍，而在沸点上，它一下子就完成了这一跃。中间没有任何温柔的过渡。
但还有第二个、更奇怪的家族。拿一块磁铁来加热。它并不会在某个戏剧性的瞬间突然失去磁性。相反，当它接近某个温度时，它的吸力会平滑地褪去，越来越弱，直到在某个特殊的点上恰好归零——而且没有潜热要吞，也没有两个相并肩共存。这种改变是连续的；它是悄悄逼近你的。这就是[[second-order-transition|二级相变]]（也叫连续相变），本条学习线里最深刻、最美的物理，就住在这里。
- 一级相变：有一个跳跃。密度、体积或磁化突然一跃，潜热被吞掉，两个相可以共存（想想漂在水里的冰）。
- 二级相变：没有跳跃。改变是平滑、连续的，没有潜热，也没有共存——两个相在某个特殊温度下天衣无缝地合而为一。
- 最快的判别：问问看，在转变点上这种物质会不会同时持有两个相。会，就是一级；如果它平滑地滑过去，就是二级。
为什么会跳，又为什么有时不跳
这差别从哪儿来？把每个相想象成能量地貌里的一道山谷。大自然一如既往地懒，会把球滚向最低的那道谷。当你改变温度，你就在倾斜这片地貌。在一级相变里有两道分开的山谷，当你倾斜时，其中一道沉到了另一道下面。球必须翻过一道山脊，从旧谷跳到新谷。这一跳是突然的，而两道谷底之间的落差，就是潜热。因为这两道谷是真真切切分开的，所以直到跳跃发生的那一刻，两个相都是真真切切不同的。
在二级相变里，故事要温柔得多。这里只有一道山谷，但当你倾斜地貌时，谷底会缓缓改变形状——它变软、变宽，而最低点平滑地从一处漂移到另一处。没有山脊要翻，没有落差，没有潜热。你最终落进的那个相，是从你出发的那个相里，靠着无数微小连续的步子长出来的。这正是为什么一块被加热的磁铁不会咔哒一声关掉，而是渐渐淡去。本条学习线接下来的篇幅，都将用来揭开这渐渐的淡去原来有多丰富、多出人意料。
差别消融的那个奇怪地方
这里有一个让最早发现它的物理学家吃惊、也可能让你吃惊的事实。把液态水和蒸汽分开的那条线——沸腾曲线——并不会一直延伸下去。如果你把水关进一个结实的密封容器里，把温度和压强同时往上猛推，你会到达一个特别的位置，在那里，液体和气体之间的差别干脆就消失了。稠密的液体和稀薄的气体变得无法分辨；不再有任何把它们分开的表面，没有液面，也没有沸腾。这个终点，叫作[[cm-critical-point|临界点]]。
临界点正是一级家族与二级家族相遇的地方。沿着沸腾线靠近它，密度的跳跃会越来越小，直到恰好在临界点上缩成了零——一级相变软化成了二级相变。这里正发生着某种深刻的事，而临界点附近的物质会以诡异而戏剧化的方式表现：它会闪烁、散射光、再也拿不定主意要当液体还是气体。这些狂野的举动，叫作临界现象，正是本条学习线尽头的奖赏。