理解相变的努力引导物理学家们在众多领域获得了深邃且崭新的洞察——小到夸克的性质、大到宇宙的演化。
当波士顿或斯德哥尔摩的气温徘徊在0摄氏度上下时，我们得到的天气预报往往是不确定的：下雨还是下雪完全依赖最终的气温是在零上还是零下。其间的差别是非常大的——前者不过是一场阵雨，而后者却可能造成城市灾害，因为雪占据的体积大约是雨的十倍，并且不像雨水那样容易流走。
对我们这些常年在寒冷气候中生活的人来说，这种不确定性可谓司空见惯。然而仔细想想，它其实是很奇怪的：如果不是借助于长期的生活经验，我们通常会预期细小改变只会对结果产生微弱的影响。
当温度经过某个临界值时水突然会变成冰。这类现象被物理学家称之为相变，结冰只是一个典型例子。
在20世纪，如何理解相变一直是基础物理面临的一个让人头疼的挑战，它引导物理学家们在众多领域获得了深邃且崭新的洞察——小到夸克的性质、大到宇宙的演化。
最简单的相变与磁铁相关。我们所熟悉的条形磁铁或马蹄形磁铁，它们的磁性源于其内部做自旋运动的电子的排列。每个电子好比一个微型的地球，它的磁场的南北极之间的连线正好是自旋旋转轴。当所有电子的旋转轴都沿着同一个方向排列时，它们的磁场相加增强产生磁引力。
如果你加热磁铁，那么电子的自旋轴就会不断摇动，使它们难以形成有序的排列，导致磁性在温度足够高时消失。这种磁性的改变跟冰与水之间的转变一样，是在某个温度下突然发生的。比如，磁铁矿的磁性大约在570摄氏度的时候突然消失。铁磁性消失的临界温度被称为居里温度（以皮埃尔·居里——玛丽·居里的丈夫、杰出物理学家、诺贝尔奖得主——的名字命名）。
我们如何理解这种突然的改变呢？粗略地说，当我们加热磁铁时，电子自旋轴的摆动越来越厉害，从而越来越难形成相互锁定的整齐排列。当一个电子的自旋运动脱离束缚获得自由时，它就不再帮助邻近的电子自旋保持排列整齐，使得下一个电子的自旋更容易挣脱束缚，以此类推。也就是说，一旦能量达到了某个临界值，自旋的解放就不可避免了。
今晨波士顿的气温降到了零度以下。看着阳光照在雪上反射出的耀眼光芒，我任由脑海里关于相变的思绪飞翔，最后停留在著名的鸭兔错觉上：面对这个可鸭可兔的图形，我们的大脑神经元必须同时达成一致，来决定我们看到的到底是鸭子还是兔子——虽然这两种选择都是合理的。当选择改变时，我们看到的图像就突然改变了。
通过类比和隐喻，我们可以进一步地拓展相变的概念。例如，有时候我们会看到少数人对传统认知发起的挑战会引发整体舆论的突然变化。
在20世纪，物理学家们已经理解了简单材料中因温度变化所导致的相变。而当今的物理前沿则是在动力驱动的物理系统中研究因为驱动的微小变化所导致的系统性质的巨大变化。例如，当温度升高时，地球上的冰逐渐融化，使被反射的太阳热量减少，这又进一步加剧温度的升高……这也许会导致一个剧烈的灾难性的改变。所以，我很珍爱冬天的雪，庆幸还能够享受有雪的冬天。