固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)……還有成千上萬種態(tài)？

□文/蔡鍇

大家都知道物質(zhì)有3 種狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。當然，如果你平時關(guān)注科學新聞，可能聽說過物質(zhì)還有等離子態(tài)（又稱為超氣態(tài)）和玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。這樣，就有5 種物質(zhì)狀態(tài)了。

但是簡并態(tài)物質(zhì)呢？拓撲超導體？時間晶體？這些都可以算是物質(zhì)的狀態(tài)（或者說“相”），盡管我們在日常生活中不會遇到它們。

實際上，物理學家已知的物質(zhì)狀態(tài)有上千種，他們不斷找到新的物質(zhì)狀態(tài)。據(jù)估計，潛在的物質(zhì)狀態(tài)可能達上百萬之多。

隨著對物理學認識的不斷深入，科學家發(fā)現(xiàn)日常生活中遇到的物質(zhì)狀態(tài)比我們想象的要多。例如，在物理學家眼里，冰箱上的磁鐵與冰箱本身是不同形式的物質(zhì)；酒杯和它下面的木架子同樣代表著兩種不同的物質(zhì)狀態(tài)。

什么是物質(zhì)狀態(tài)

物質(zhì)的狀態(tài)實際上是指原子或其他組成物質(zhì)的粒子的排列方式。不同的排列方式造成了物質(zhì)不同的屬性。

在固體中，分子以晶格結(jié)構(gòu)排列，從而提高了材料的剛性。

在液體中，分子是流動的，但是它們無法像在氣體中那樣容易地彼此靠近或遠離。

在等離子體中，分子像氣體一樣流動，但是它們的電子可以自由移動，使其易于導電。

物質(zhì)的粒子可以有無窮多的排列方式。例如，晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中全部對稱要素的集合稱為 “空間群”，而所有晶體結(jié)構(gòu)都加起來也僅有230 種這樣的空間群。每個空間群都是一種不同形式的物質(zhì)，可以是導體或絕緣體，具體取決于電子的空間分布。

當溫度極高或極低，且壓力非常大時，正常物質(zhì)會變得具有奇特屬性。例如，在中子星內(nèi)部，原子核可能會凝聚成一種所謂的簡并物質(zhì)，其中電子和質(zhì)子被迫合在一起形成中子，甚至會凝聚成僅由基本粒子構(gòu)成的夸克—膠子等離子體。又例如，當分子處于絕對零度附近時，量子力學效應(yīng)會變得在宏觀尺度上可見——分子們不會再亂跑，而是像量子力學里的物質(zhì)波一樣運動。

當多個原子的集合體冷卻到接近絕對零度，并開始形成玻色—愛因斯坦凝聚體時，它們會變得像一個大原子一樣。這給了它們獨特的性質(zhì)，例如完全不具備黏性。

操控那些神奇的自旋和超導

在荷蘭阿姆斯特丹大學研究凝聚態(tài)理論的副教授賈斯珀·范韋澤爾表示，我們一直在尋找新物質(zhì)狀態(tài)的原因之一是有許多新狀態(tài)還有待發(fā)現(xiàn)。他說道：“原子或分子具有很多性質(zhì)，其排列方式也多種多樣。窮盡所有的可能性需要時間。”

隨著技術(shù)的進步，我們有能力在更極端的條件下以更高的精度進行實驗。例如，現(xiàn)在我們可以看到，各種材料中的粒子具有不同的自旋。自旋是粒子固有的屬性，是產(chǎn)生磁場的原因。

范韋澤爾說：“在20 世紀50 年代，你只要測量磁化強度，然后說‘看，它們都是磁性的，我可以將它們都粘在冰箱上，就是這樣’。但現(xiàn)在，我們有了進入材料并觀察每個自旋的工具，我們可以說‘看，它們都是有磁性的，不過這種物質(zhì)每個自旋的z 方向分量都是反轉(zhuǎn)的，而另一種物質(zhì)卻不這樣，所以它們不一樣。’”有了這些新發(fā)現(xiàn)的知識，物理學家也許能夠操縱這些自旋來創(chuàng)建具有全新特性的材料。

夸克—膠子等離子體

尋找新的方式利用物質(zhì)也是物理學家著迷于尋找新的物態(tài)的原因之一。

美國萊斯大學物理系助理教授卡登·哈扎德說：“每次發(fā)現(xiàn)的新物態(tài)都具有我們無法想象的新特性。如果你所擁有的只是液體，而有人給了你一塊磚，那么，你突然就有能力做以前無法辦到的事情。”

例如，當某些材料冷卻到非常低的溫度時，它們可以成為超導體，這意味著它們能以零電阻傳輸電流。對于商業(yè)應(yīng)用而言，這意味著電力損失非常少，以及更高的計算機效率。

最近發(fā)現(xiàn)的一種稱為拓撲超導體的物態(tài)，其物質(zhì)內(nèi)部是電絕緣的，但其邊緣卻是導電的。這種獨特的功能可以在量子計算機中使用，以保護能存儲信息但很脆弱的量子比特。

物理學家一直致力于尋寶活動

盡管一些令人興奮的物質(zhì)特性還有待發(fā)現(xiàn)，但物理學家認為它們是存在的。例如，室溫超導體長期以來一直被視為凝聚態(tài)物理的圣杯，這種材料將改革我們的用電方式。

當下，許多物理學家正在積極尋找的另一種物質(zhì)叫作量子自旋液體，當其粒子的自旋開始相互影響時，會意外產(chǎn)生磁性。這類物質(zhì)可以用來做更好的量子計算機，甚至有助于制造室溫超導體。

這些發(fā)現(xiàn)促使尋找新物態(tài)成為物理學家的尋寶活動。毫無疑問，物理定律中存在著更多意想不到的特性。只等物理學家找到粒子的正確排列和它們的物理狀態(tài)，使它們成為現(xiàn)實，而這將賦予人類前所未有的能力。