由破碎的原子弄成的物质的奇怪状态和等离子体

熟悉的固体、液体和气体领域让路给异域等离子体和退化物质。

HARD SCIENCE — JUNE 21, 2023

Tom Hartsfield

Credit: Mixxy 2m / Wikimedia Commons

关键要点

除物质的三种常见状态（固体、液体、气体）之外，存在其他诸如等离子体、夸克-胶子等离子体和退化物质状态。

这些奇怪的物质状态在地球上罕见的从来被发现，但它们确实存在于太空中，通常在恒星中。

理论预测甚至有更诡异物质状态的恒星存在，但这些还没有被天体物理学家检测到。

几乎所有我们在每天基础上与之互动的物质都处于三种简单状态之一。我们的大部分液体的身体站在坚实的地上，呼吸由气体弄成的空气。但有不止刚好这三种，其中一些是非常奇怪的并被破开原子创造。

物质的通常状态

固体典型的是任何特定物质的最少能量形式。将任何类型的物质冷却到绝对零度，沿这条路的某个地方，它几乎将总凝聚成一种固体形式。加热，固体将融化成一种液体。它的原子从它们的锁定的位置自由来四处浪荡，但它们不是如此自由至于飞走的。保持加热（和/或更低压力），液体沸腾成一种气体。构成气态物质的粒子有足够的能量来离开它们的伙伴粒子并探索它们的禁锢的极限。

在这些状态中，每个原子仍然原封未动：电子包围着由质子和中子组成的原子核。但添加能量或施加压力能崩溃原子来揭示物质的新状态。

等离子体

最简单的是其中电子被从它们的原子核剥掉的等离子体。想想辉光的霓虹灯招牌。在这些辉光的管子里是一种带正电的原子（阳离子）和自由电子的电离气体，沐浴在一个被不同能级之间弹跳的电子发射的光子通量中。

气体能被通过加热电离成等离子体。在高温下，加速原子之间的碰撞是足够猛烈到从原子核踢掉电子。等离子体也能被通过将气体放入一个强电场中并向它发射电子创造。自由的电子被电场加速，电场将它们变成额外的子弹，撞击更多的原子并又自由更多的电子------类似于一个核链式反应。

等离子体在地球表面上并不特别的常见，但它在太空中。太阳主要由等离子体弄成，地球高层大气层的某些层也一样。电离层以它的电离气体命名。在它之内叫热层的产生可见的极光。在这些系统中的每一个中的等离子体往往以它的光子的明亮的光闻名。

夸克-胶子等离子体

从一个原子核自由一个电子相比分解它的原子核是相对的简单的。但这也能被做到，结果是一个夸克-胶子等离子体。

高能粒子实验将中子和质子一起粉碎，它们碎裂成叫夸克的更小粒子。当夸克被从彼此分开时，叫胶子的微小载力粒子在它们之间飞。像上面描述的等离子体一样，夸克类似于带正电的粒子，而辉光的胶子类似于光子。

来描述这种奇怪的物质状态是困难的，因为它被如此远从人类体验去掉。它的微小口袋被创造在巨大的粒子加速器上。夸克-胶子等离子体有一个如此之高的温度------数万亿度------以至于物理学家挣扎来弄清楚怎样测量它，而夸克-胶子等离子体在不到一秒的万亿分之一的十亿分之一消失。在自然中，夸克-胶子等离子体可能只存在于大爆炸后早期。

退化物质

在那里有其他诡异的东西。白矮星和中子星是由退化物质弄成的。一个典型的原子有一个微小的几乎包含它的所有质量的原子核，被一个大量的几乎空的充满羽毛重电子的薄雾的空间包围。退化物质坍塌这个空的空间并用剩下的粒子包着。

虽然等离子体从它们的彼此的结合解放物质的亚原子，但退化物质约束它们在一个可怕拥挤的监狱中。随常规物质在难以想象的压力下被压碎挤压直到它坍塌它形成。在一个内爆恒星中的引力表现是如此之大以至于它压倒所有的抵抗力，除最终的将亚原子粒子分开的量子力学势垒。（在这一点上，物质距离变成一个黑洞只有一步之遥，在那里引力甚至压倒量子力学）。

一颗白矮星是一颗由电子退化物质弄成的恒星。一颗与我们的太阳质量相似的恒星，它已经跑过了它的生命周期阶段------黄矮星、红巨星等------并耗尽了它的最后的聚变能燃料。不再能够来维持它自己，这颗恒星随后内爆。天才的天体物理学家钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）计算出电子被包在一起由量子力学管理的在它到达一个黑洞状态之前可以停止坍塌的抵抗力。

钱德拉塞卡得出结论，白矮星的物质是如此致密以至于一杯可能重达数百吨。

中子星处在甚至更极端的压力。它们包含比白矮星更多的质量，它们的更强引力压倒电子退化物质来承受它的压力的能力。电子和原子核被粉碎成一个单一的固体质量。带负电的电子和带正电的质子被一起推来创造额外的中子。总引力坍塌仅被被包的中子量子力学上彼此排斥击退。虽然一个棒球重几盎司，但棒球大小的中子星重约10^17克------约100万亿磅。

在那里可能还有更奇怪的天体，包括假设的异域恒星。一颗夸克星将是一颗其中引力已经将中子挤压成它们的成分夸克的中子星。如果夸克之间的排斥力足以击退引力，这个天体可能保持稳定的。在仍更大的压力下，理论提出一些夸克会变成奇怪的夸克，形成奇怪的物质并创造奇怪的恒星。但这些推测的退化物质恒星并没有被天体物理学家令人信服地观察到。

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