导读 冷即秩序

“极冷篇”是与“极热篇”相对的一篇。极冷，指的是温度极低。“极热篇”讨论从室温开始，温度逐渐升高的情况下，物质的各种形态，主要是气体、等离子体，甚至极端到了宇宙大爆炸初期的“暴胀宇宙”。“极冷篇”讨论的则是从室温开始温度逐渐降低，一直低到接近绝对零度，物质的形态会是什么样的。

内容安排

第十八章，在较低温度下，我们感兴趣的物质形态大多数是固体。因此，第十八章将以比较粗放的视角来研究固体，通过对固体做各种各样的宏观的实验测试，从而得出它各方面的性 质。

比如，我们可以通过施加外力来研究固体的力学性质，这样就有了强度、硬度等物质属性。例如，钻石的硬度和强度都极高，就是在力学测试下得出的结论。除此之外，可以通过给固体加电场来看固体里是否会有电流，比如给固体接一块电池，就能部分得出固体的电学属性。还可以给固体进行加热、放热，观察固体的导热性如何。我们都有这样的生活经验：瓷做的汤勺要比金属做的汤勺更方便喝热汤，因为金属做的汤勺容易烫手、烫嘴。这实际上就是因为金属的导热性要比瓷的导热性 好。

因此，第十八章讨论的是固体作为材料的各种属性，有力学性质、热学性质、电学性质以及磁学性质。这些其实可以被归类为材料科学的研究范畴。材料物理的研究方式相对来说更宏观，要深刻理解固体材料为什么会表现出各种属性，还需要从微观层面上进行研究。

第十九章，我们把研究的视角从宏观测试转移到了微观研究，用量子力学的视角来看待不同固体的属性。宏观的固体是由微观的原子组成的，我们会发现微观层面上原子的结合排列方式，以及不同种类原子的个体量子特性，最终都会体现在固体材料的宏观属性上。因此，第十九章讲解的内容，在物理学范畴内被划归为固体物理。固体物理是从原子的量子性质出发，研究材料的微观特性，从而解释为什么不同材料会有不同的宏观性质。

第二十章，我们会进入一个全新的物理学领域——凝聚态物理（condensedmatter physics），看看当温度比较低，物质聚合的情况下会有什么样的奇特物理性质。我们在“极热篇”认识了等离子体后，已经有了对物质四态的基本认知：固态、液态、气态和等离子体。但在温度极低（接近绝对零度）的情况下，并非所有物质都会以固体形态存在。氦气在低温下依然保持液态，但是这种液态并非简单的液态，而是有可能会形成超流（内部摩擦力为零的流体），这种形态往往对应于物质的第五形态——玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensation）。它完全是由温度低的情况下，粒子的量子特性占据主导所导致的。

当然，这三章之间的学科界限并不是泾渭分明的，材料学、固体物理、凝聚态物理之间的交集非常广，甚至固体物理可以被划归为凝聚态物理的基础，它们的研究对象类似，只是研究的尺度、关注的具体对象有差异而已。

极低温度下，物质内分子、原子热运动的剧烈程度急剧降低，量子力学的不确定性会变得极其明显。在这种情况下，物质形态会变得极其丰富，除了超流体、超导体以外，我们还会介绍一种全新的物质形态——量子霍尔效应（quantum Hall effect）。

量子霍尔效应说的是：在低温环境下，给一块金属板加超强的外部磁场，这块金属板的电阻会变得与这块金属板的具体形状毫无关系，而只与外部磁场的大小和金属板内部的电流大小有关。量子霍尔效应的发现，可以说是开启了一个全新的物理学领域——拓扑材料（topologicalmaterial）。这个领域目前是物理学最前沿的研究领域，自出现至今不过短短30年时间。

凝聚态物理、拓扑材料的研究不仅非常前沿，在实际应用领域也大有可为。量子计算（quantum computation）最近颇受关注，而拓扑材料就是最有希望用于制造量子计算机的材料之一。因此在第二十章的末尾，我们也将介绍量子计算大致是怎么一回事。它为什么标志着人类计算机技术，甚至整个人类科技文明的重大飞跃？

我们在“极冷篇”研究的对象，依然是如热力学、统计力学研究的多粒子系统，区别是在低温环境下，这些多粒子系统会呈现出极高的秩序性，产生丰富的物质形态。