固體液體氣體改變形態 都要由「與別不同」處引發
不知道大家有沒有見過鹽的結晶 ？當鹽從溶解於水的形態轉換到固體形態的時候，鹽自身的特性會逼使它們以某一種的形式排列在一起，形成一粒一粒晶體。今天就和大家討論一下結晶以及一些相類的現象。
可發生但不發生
結晶的出現，很多時候始於某一種固體（比方說鹽）大量溶於另一種溶劑（例如水）中。當溶劑慢慢蒸發掉，或是慢慢冷卻下來，就無法繼續容納早已溶解的固體；這些時候，部分固體就會被「逼」出來，形成結晶，不再溶解於液體中。但是倘若溶液十分均勻，沒有雜質，那麼縱使到了可以結晶的情況，晶體也會「群龍無首」，不知道哪裡先開始結晶，反而會進入了一個「敵不動，我不動」的狀態：結晶現象可以隨時隨地發生，但是卻又沒有發生。當然現實中液體大多含有雜質，結晶因此會以這些雜質為中心開始。
在學校做實驗的時候，我們更會加入一些小的晶體，人工地引入「結晶的起點」。
無塵便無雲 水至清怎結冰？
這種「需要一個起點」的現象並不只限於固體從溶液中結晶出來：比如說從氣態凝結成液體，也需要一些「起點」去開始。物理學家為了測量在實驗中被製造出來，或是來自宇宙射線的粒子，在過往利用這個原理設計了雲室（cloud chamber）這種裝置：在一個密閉的空間中注入水蒸氣或是酒精，然後將它們帶到「將要凝聚成液體卻又還沒發生」的狀態（例如用乾冰將它們冷卻到較低溫）。
擁有高能量的粒子穿過雲室的時候，會激使附近的粒子變成帶電的離子；本來已是蠢蠢欲動的水蒸氣或是酒精就會馬上在這些離子附近凝結成「水滴」，將高能量粒子走過的路徑顯示出來。水蒸氣在高空形成雲，也需要面對相同的問題。不知是幸還是不幸，天空中當然總會有些塵埃之類的粒子；水蒸氣就以它們為中心，慢慢凝聚成各種各樣的雲。
這個原理也應用於沸騰的現象之上。水可能已被加熱到可以沸騰的地步，但同樣也需要在一些特別的地方才開始進入氣態。這就是為什麼我們不應用微波爐去加熱蒸餾水：蒸餾水理論上不含雜質，而微波爐顧名思義，運用微波令所有水分子一起摩擦生熱，因而能較均勻地令水分及食物升溫。
用微波爐加熱蒸餾水，由於沒有「特別的起點」去開始沸騰，有些時候蒸餾水其實早已熱得不可開交，快要變成蒸氣了，但表面上卻是無比平靜，看不出一點玄機。這種情況對我們很是不利：我們可能會毫無戒備地伸手去拿微波爐中的這杯水，但是一碰到水杯的時候就會破壞了它的平衡，令杯中的水突然沸騰；這些熱水更有可能從杯中濺出，燙傷我們。
小 結
今天的討論，隱隱涉及了「對稱」這個概念：假若一個物料真的是處處一樣，互相對稱，那麼某一點就不會無緣無故地變得「與別不同」。不過這樣「均稱」的物料並不一定是穩定的：輕輕的隨便一晃，就可能激起物料形態的轉變了。 ■張文彥博士
作者簡介：香港大學土木及結構工程學士。短暫任職見習土木工程師後，決定追隨對科學的興趣，在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位，修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師，教授基礎科學及通識課程，不時參與科學普及與知識交流活動。
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