超越固体、液体和气体：物质的7种状态

在非常高和非常低的温度，物质拿上打开一整个宇宙的显著的新可能性属性。

STARTS WITH A BANG — APRIL 21, 2022

Ethan Siegel

当适当的条件被取得时，甚至通常不能占据相同量子态的多个费米子能达到一种叫一个费米子凝聚态的状态，在那里它们都取得可能的最低能量结构。这是物质的第七种状态。(Credit: Wolfgang Ketterle/MIT/Center for Ultracold Atoms)

关键要点

     我们地球上的大多数人都熟悉物质的三个相：固体，液体和气体。

     但在更高的温度，构成物质的原子离子化，创造一个等离子体，在真的高温度，单个质子和中子分解成一个夸克- 胶子等离子体。

同时，在非常低的温度，不同类型的粒子形成要么玻色- 爱因斯坦要么费米子凝聚态。总而言之，物质有7种已知的状态，不仅仅是三种。

物质有多少种状态？当你年轻时，你可能了解了关于是我们体验最常见的三种：固体、液体和气体。所有这些都在这里地球表面上有规律地发生：岩石和冰是固体，水和许多油是液体，而我们呼吸的大气层是一种气体。然而，这三种常见的物质状态都基于中性的原子。这个宇宙没有被结合的约束。

如果你用足够的能量轰击任何原子，你会踢掉它的电子，创造一个离子化的等离子体：物质的第四种状态。将这个能量调得足够高，甚至质子和中子将分解，形成一个夸克-胶子等离子体：有争论的物质的第五态。

但有不仅能存在而且确实存在的另外两种物质状态：玻色 - 爱因斯坦凝聚态和费米子凝聚态，物质的第六态和第七态。目前，它们只在极端的实验室条件下是可取的的，但它们可能在宇宙本身中起一个重要角色。这里是为什么。

在液相中，显著降低压力能造成一个固体（冰）或一个气体（水蒸气），取决于温度是什么和这个过渡发生的多快。在足够高的温度下，所有基于原子的物质都将变成一种离子化的等离子体：物质的第四种状态。(Credit: Matthieumarechal/Wikimedia Commons)

在这里地球上，一切都是由原子组成的。一些原子一起结合来形成分子，其他原子作为独立实体存在。无论在任何特定化合物（水、氧气、甲烷、氦气等）中的原子数量，温度和压力条件的组合决定它是一个固体、液体还是气体。.

最着名的水在低温和适度压力冻结，在要么更高压力和/要么更高温度下变成液体，并在还更高的温度或非常低的压力下变成气体。然而，在大约374°C（705°F）的临界温度之上有一个临界温度，在临界温度这种区别崩溃。在低压下，你仍然得到一种气体，在更高的压力下，你获得一个既有气体又有液体属性的超临界流体。继续到还更高的温度，你将开始离子化你的分子，创造一个等离子体：物质的第四种状态。

当一颗葡萄被几乎完美地切成两半但留下一个薄薄的葡萄皮桥连接它们时，一个进入微波炉的旅行将造成火花飞溅，沿着桥创造一种等离子体。每当电子被从它们先前结合的原子和分子中踢出时等离子体被创造，并且在足够高的能量和温度下，所有固体、液体和气体都将变成等离子体。(Credit: New York Times video)

虽然这是大多数物质状态结束的讨论的地方，但这几乎不是科学故事的结束。真相是这只是故事原子部分的结束。对于剩下的，我们需要冒险进入亚原子世界：比原子更小的粒子的世界。我们已经遇到了其中之一：电子，它是标准模型的基本粒子之一。

电子是在原子中环绕原子核的带负电荷的粒子，在高能量被踢掉来形成离子化的等离子体的同一粒子。与此同时，原子核由质子和中子组成，而质子和中子又由三个夸克分开组成。在质子和中子内部，胶子以及夸克-反夸克对被在这些复合粒子中恒定的创造、破坏、发射和吸收。这是一个在每个质子和中子内部混乱的亚原子世界。

一个质子不仅只是三个夸克和胶子，而是一个内部密集粒子和反粒子的海洋。我们越精确观察质子，我们进行深度非弹性散射实验的能量越大，我们在质子本身内部发现的子结构就越多。内部粒子的密度似乎没有限制，但在足够高的能量下，质子和中子分解来形成一个夸克-胶子等离子体：它自己的物质的高能态。(Credit: Jim Pivarski/Fermilab/CMS Collaboration)

如果你将温度和能量增加到足够高的值，甚至质子和中子本身将解离成分量夸克、胶子以及凡是你能从可用能量和爱因斯坦的质能当量定律E = mc^2中创造的任何夸克 - 反夸克对。然而，在我们的传统体验中，夸克总是一次三个的一起结合成通常被称为重子的束缚态，在足够高的能量下，它们变成一种夸克-胶子等离子体：物质的第五态。

在热大爆炸开始后大约这个宇宙的第一微秒，没有质子和中子，而只有一个夸克 - 胶子等离子体，紧紧与回到那时存在的所有其他形式的物质、反物质和辐射耦合。我们目前通过碰撞重离子实验上研究这些夸克 - 胶子等离子体------包含大量质子和中子的原子的裸原子核，如金、铅和元素周期表远端的其他原子------在世界上最强大的粒子对撞机中。

布鲁克海文的相对论性重离子对撞机（RHIC）和欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）不仅已经帮助我们探索这些粒子的亚原子世界，还帮助我们探索它们作为一个集合体的行为：一个成熟的夸克胶子等离子体。

如果粒子的温度/能量足够高，相对论离子之间的碰撞有时会创造一种叫夸克- 胶子等离子体的临时状态：其中甚至单个质子和中子不能被稳定形成。这是一种更标准的等离子体的核类似物，其中电子和原子核不能成功结合在一起来形成稳定的中性原子。(Credit: Brookhaven National Labs/RHIC)

但即使这些物质状态需要非常大量的粒子，它们也需要非常高的能量来取得。如果我们不是去高能量，而是我们去在另一个低能量方向中的特殊条件，我们发现这些粒子能去的某些另外显著的东西：物质的一个第六和第七态的创造。有一个关键的需要来引导我们到达那里的认识：宇宙中的每一个粒子，无论是基本粒子还是复合粒子，都落入两类之一。

费米子。这是一个当我们测量它的自旋（或内在角动量）时，我们总是得到被以普朗克常数的半整数值量化的值±1/2、±3/2、±5/2等的粒子，

玻色子。这是一个当我们测量它的自旋时，我们总是得到被以普朗克常数的整数值量化的值0、±1、±2等的粒子。

就是这样。在所有已知的宇宙中，没有粒子 - 基本的或复合的 –落入任何其他类别。我们已经曾经测量过的一切都要么像一个费米子要么一个玻色子一样行为。.

标准模型的粒子和反粒子服从各种守恒定律，但在费米子粒子与反粒子和玻色子粒子之间有根本区别。(Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy)

电子是有自旋为±1/2的基本粒子，显然是费米子。质子和中子，每个都由三个夸克分开组成，也有只能是±1/2的自旋，因为一个夸克的自旋将总是与其他两个夸克的自旋相反。然而，如果你将一个质子和一个中子一起结合，你创造一种叫氘的复合粒子：叫重氢的氢的一个重同位素的原子核。

一个氘子是与另一个费米子结合在一起的费米子，总是像一个玻色子一样行为。（为什么？因为±1/2 + ±1/2 只能等于 -1、0 或 +1：一个玻色子的自旋值。无论我们正在处理的是基本粒子还是复合粒子，费米子和玻色子都展现一个不同于彼此的关键差异。是的，它们的自旋是不同的，但这种差异导致一个惊人的结果：费米子服从泡利不相容原理，玻色子则不然。

原子连接来形成分子的方式包括有机分子和生物过程仅可能的是因为规制电子的泡利排除规则，禁止它们中的任何两个占据相同的量子态。(Credit: NASA/Jenny Mottar)

泡利不相容原理是在量子力学早期发现的关键基石之一。它声明没有两个费米子能彼此占据完全相同的量子态。

当我们开始将电子放入完全离子化的原子核上时这来发挥作用。第一个电子将沉降到可能的最低能量结构：基态。如果你添加一个第二个电子，它将也试图下降到基态，但将发现它已经被占用了。为了最小化它的结构的能量，它下降到相同的状态，但需要将它的自旋反转：如果第一个电子为-1/2，则为+1/2，如果第一个是 +1/2则-1/2。任何进一步的电子都需要进入一个越来越高的能量状态，没有两个电子能在同一物理系统中有同一的精确量子结构。

对应于一个氢原子内不同状态的能级和电子波函数。由于自旋= 电子的1/2性质，只有两个（+1/2和-1/2状态）电子能同时处于任何给定状态。(Credit: PoorLeno/Wikimedia Commons)

但这对玻色子不是真的。你能按你喜欢的在基态结构中放置任意多的玻色子，没有任何限制。如果你创造正确的物理条件------比如冷却一个玻色子系统并将它们限制在相同的物理位置------对你能适应最低能量状态的玻色子数量没有限制。当你达到这个结构时，许多玻色子都处于相同的、最低能量的量子态，你已经取得了物质的第六种状态：玻色-爱因斯坦凝聚态。

氦是一个由两个质子、两个中子和四个电子组成的原子，是一个由偶数个费米子组成的稳定原子，因此行为像一个玻色子。在足够低的温度下，它变成一种超流体：一种有零粘度的流体，在它自身之间或与它相互作用的任何容器之间没有摩擦。这些属性是玻色-爱因斯坦凝聚态的一个结果。虽然氦是第一个取得第六种物质态的玻色子，但它自此已经为气体、分子、准粒子甚至光子被再现。今天，它仍然是一个活跃的研究领域。

一个铷原子的玻色- 爱因斯坦凝聚态在（左）、期间（中间）和之后（R）向BEC状态过渡之前是完整的。该图显示三维连续的快照，其中原子从更低密度的红色、黄色和绿色区域凝聚成非常密集的蓝色到白色区域。(Credit: ESA/University of Florence)

另一方面，费米子不能都处于相同的量子态。白矮星和中子星不会坍塌因为泡利不相容原理，相邻原子（白矮星）或彼此接壤的中子（中子星）中的电不能子在它们自身引力下完全坍塌，因为由泡利不相容原理提供的量子压力。负责原子结构的相同原理保持防止这些密集的物质结构坍塌成黑洞，两个费米子不能占据相同的量子态。

那么因此，你怎样能取得物质的第七种状态：一个费米子凝聚态呢？信不信由你，费米子凝聚态的故事一路追溯回到1950年代，由诺贝尔奖获得者物理学家莱昂·库珀（Leon Cooper）的一项令人难以置信的发现。你要记住的术语以他的名字命名的：库珀对。

在一个非常低温度的导体中，带负电荷的电子会稍微改变导体中正电荷的结构，造成电子来体验一个略微有吸引力的相对力。这导致它们配起对来形成库珀对的效果，这是从来发现的第一种费米子凝聚态形式。(Credit: Tem5psu/Wikimedia Commons)

在低温下，每个粒子都倾向朝向它的最低能量的基态结构。如果你取一个导电金属并充分降低温度，两个相反自旋的电子将一起配对，这种微小的吸引力将造成电子来成对成为一种最少能量的、更稳定的结构，而不是让你的所有电子单独的移动。

费米子凝聚态需要比玻色 - 爱因斯坦凝聚态更低的温度，但它们也像一个超流体一样行为。1971年，氦-3（比标准氦少一个中子）被证明在低于2.5毫开尔文的温度下变成一个超流体，这是仅涉及费米子的超流体的首次证明。2003年，物理学家德宝拉金的实验室创造了第一个基于原子的费米子凝聚态，利用一个强磁场和超冷温度来将原子诱导成这种追求后的状态。

虽然固体、液体和气体可能是最常见的物质状态，但在极低的温度下，冷凝态能浮现，有独特的物理属性。(Credit: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)

除了物质的三种标准状态------固体、液体和气体------还有一个离子化等离子体的更高能状态，只要原子和分子对电中性有太少的的电子就会发生，然后是一个夸克-胶子等离子体，其中甚至质子和中子被分解成它们的基本亚原子成分。然而，在超低温下，玻色子和费米子这两类基本粒子能各自以它们自己特定的方式一起凝聚，分别创造玻色-爱因斯坦或费米子凝聚态：物质的第六和第七态。

然而，为了从物质中创造一个费米子凝聚态，你必须取得超常的条件：温度低于50纳开尔文，施加一个时变磁场。然而，在浩瀚的太空深渊中，中微子（由费米子组成）或暗物质（可能是费米子或玻色子）一起聚块来形成它们自己的凝聚态是显著的可能的。解开宇宙的最大的谜团之一------暗物质之谜------的关键可能在于所有已知物质状态中最罕见、最极端的。

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