10个神奇的低调物态
大部分人都能轻易说出固、液、气这三种物质状态，上多两堂物理课的人还能说出等离子态。时代不断发展，科学家们早已加长了四大物态列表，奇妙的宇宙尚有太多的未解之谜，存在的物态又岂只这四型。从宇宙大爆炸、星球大战里傲人的光剑到不能再平凡的鸡，一切其实都同样的不可思议。大自然偷偷在我们身边藏了不少物态，它们低调地活着，默默等待各自的伯乐。
10个神奇的低调物态 大部分人都能轻易说出固、液、气这三种物质状态，上多两堂物理课的人还能说出等离子态。时代不断发展，科学家们早已加长了四大物态列表，奇妙的宇宙尚有太多的未解之谜，存在的物态又岂只这四型。从宇宙大爆炸、星球大战里傲人的光剑到不能再平凡的鸡，一切其实都同样的不可思议。大自然偷偷在我们身边藏了不少物态，它们低调地活着，默默等待各自的伯乐。 10.非晶态固体
非晶态固体（Amorphous solid又称无定形体或玻璃体）从属于固体，却比我们熟知的固体有趣多了。普通固体中的分子紧密结合且不能随意运动，这使固体具有高粘度，意味着物体难以流动。我们再来看看液体，液体有着不规则的分子结构，分子们能自由流动穿过彼此，或是遇力互相分离向四周飞溅，液体的形状与其容器形状一致。非晶态固体则处在这两种状态之间。在玻璃化（审校注：vitrification玻璃化是将某种物质转变成玻璃样无定形体即玻璃态的过程，是一种介于液态与固态之间的状态，在此形态中没有任何的晶体结构存在）过程中，液体被冷却使粘度增加至无法流动的程度，但其分子保存无序，无法形成普通固态中的晶体结构。 最常见的非晶态固体是玻璃。数千年以来，人们一直在用二氧化硅（silica）制造玻璃。其实当工人将液态二氧化硅冷却到低于其熔点温度时，它并没有变成固体；随着温度逐渐降低，液态二氧化硅粘度增大，呈现出类似固体的形态，然而其分子仍保持不规则结构，这时的玻璃就是非晶态固体。艺术家们能够利用这一转变过程创造漂亮梦幻的玻璃雕像。 那么非晶态固体和普通固体在功能上有什么区别呢？在我们日常生活中，二者可以说没啥区别，除非从微观的角度来观察，否则玻璃看起来根本与固体没差。另外，不要被长期以来玻璃会像液体一样流动的传言所欺骗，只有那些不称职的导游才会在给游客介绍教堂的老式玻璃时炫耀这种无稽的传言。这种老式玻璃往往越接近底部越厚，实际上是早期制作工艺尚未成熟而导致玻璃的厚度不均匀，安装时人们自然会将厚的那一边放在底端。也许犹如玻璃的非晶态固体看起来并没什么特别之处，却给科学家们研究相变（审校注：phase transition相变是指物质在外部参数，如：温度、压力、磁场等等，连续变化之下，从一种相或称相态忽然变成另一种相，最常见的是冰变水和水变成蒸汽。然而，除了物体的三相，即固液气态变化，自然界还存在许多的相变现象，例如日常生活中另一种较常见的相变是加热一块磁铁，磁铁的铁磁性忽然消失）和物体的分子结构带来了新思路。 9.超临界流体
大多数的相变发生在特定的温度和压强下。人人都知道气温上升能使液体转变成气体，然而当压强随着气温一同上升时，液体会直接变成兼具液体性质与气体性质的超临界流体。 举例来说，超临界流体能够像气体一样（几乎无表面张力）渗入多孔性组织中，也能像液体一样充当溶剂。更有趣的是，压强和温度结合的比例不同可以使超临界流体偏向气体或液体。这使科学家脑洞大开，构思出从高难度科技到贴近我们普通生活的利用超临界流体的各种方法。 尽管感觉上超临界流体不像非晶态固体一样常见，但实际上我们接触超临界流体的制品可能并不比玻璃少。超临界二氧化碳（supercritical carbon dioxide）作为溶剂，有利于啤酒厂萃取啤酒花以及咖啡公司制造更好的低因咖啡（审校注：物体在不同相态时化学性质也会发生变化，二氧化碳在气体状态下不具萃取能力，但当进入超临界状态后，二氧化碳变成亲有机性，因而具有溶解有机物的能力，此溶解能力会随温度及压力而有所不同）。不仅如此，超临界流体还可以提高水解效率，使发电厂的机组温度更高（从而提高热效率，有显着的节能和改善环境的效果）。虽然超临界流体作为一种物质状态鲜为人知，但你可能每天都在接触和使用该技术制造的各种产品。 8.简并态物质
非晶态固体起码还能出现在地球上，简并态物质（degenerate matter）却只能存在于特定类型的恒星。该物质只能存在于受量子（通常情况下遵循泡利不兼容原理Pauli exclusion principle）支配的压强空间，而不能存在于像地球一样受温度（或者说热运动）支配的压强空间，因此即使是在绝对零度（审校注：absolute zero 理论上若粒子动能低到量子力学的最低点时，物质即达到绝对零度，不能再低。因此达到绝对零度的状态时，地球空间里的粒子均停止运动，无法对外产生压强；而在服从泡利不兼容原理的环境中，粒子仍具有动能，可对外界物体产生压强）条件下，简并态物质也同样受到来自量子的压强。简并态物质主要有电子简并态（electron-degenerate matter）和中子简并态（neutron-degenerate matter）两种类型。 电子简并态主要存在于白矮星（译注：white dwarf stars也称简并矮星，是一种由简并态物质构成，具有低亮度、高密度、高温度性质的小恒星。因呈现白色、体积小而被命名为白矮星）的核心位置，由于受到核心周围物质的重力对核心电子的压力而产生（审校注：电子简并压与白矮星强大的重力平衡，即由于白矮星自身的引力收缩而产生与之相对抗的电子简并压，从而维持白矮星的稳定），其表面重力试图将核心所有的电子压缩至最低能量状态。然而根据泡利不兼容原理，任何两个全同的电子不能处于同一量子态，因此处于最低能量状态的电子会将其它电子“推”回核心周围，从而产生向外的压力（即高密度费米子气体的最低能量状态已被填满，迫使其他电子进入高能态，产生巨大的简并压力）。不过这种压力只有在恒星质量不超过太阳质量的1.44倍时才可以持续存在。当白矮星的质量超出这个极限（即钱德拉塞卡极限the Chandrasekhar limit）会直接坍缩成中子星（neutron star中子星超过奥本海默极限时才会形成黑洞）或者黑洞（black hole）。 白矮星坍缩成中子星后，电子简并态不复存在，由中子简并态取而代之。中子星巨大的表面重力使核心部位的电子和质子相互融合形成中子。一般游离中子（即不被原子核束缚的中子）的半衰期为10.3分钟，而中子星的密度达到原子核密度，此时中子能够稳定存在于在原子核外，于是中子星的核心位置形成了中子简并态。 还有其他一些可能存在的外星简并态物质，如存在于稀有星体夸克星（quark star）的奇异物质（译注：strange matter也被称为夸克物质，是一种未在地球上发现的理论物质，具有极大引力负压的物质形态）。夸克星是介于中子星和黑洞之间的星体，核心部位有极高密度的夸克，当夸克之间非常接近时可以完全作为自由粒子活动，形成“夸克汤”（译注：在超过1万亿摄氏度的温度下，质子和中子也会“熔化”，变成夸克和胶子组成的等离子体，这种夸克-胶子等离子体就是“夸克汤”）。目前人类还未观察到这类星体，但物理学家们正在不断努力证明它们的存在。 7.超流体
让我们回到地球来谈论超流体（superfluid）。氦、铷或锂元素中某种同位素被冷却至接近绝对零度时就会出现这种物质状态，类似于玻色-爱因斯坦凝聚态（Bose-Einstein condensate，简写BEC，不知道这是什么？下一节告诉你！），但又有细微的差别。有些玻色-爱因斯坦凝聚态是超流体，而有些超流体却是玻色-爱因斯坦凝聚态，二者间有交集但不完全相同。 最常见的超流体是液氦。当氦气冷却至“λ点”温度2.17K（译注：λ点即“lambda point”，液态氦-4的两个液相：正常相氦Ⅰ和超流相氦Ⅱ，它们之间的转变温度称为λ点，饱和蒸气压下的λ点为2.172K）时，部分液体就会变成超流体。大多数物质冷却到一定温度时，原子间的引力强度将超过自身的热振动（审校注：所有的分子原子都是处于振动状态。温度是微观粒子振动的宏观表现，微观粒子振动越剧烈，温度越高。绝对零度便是微观粒子停止振动的情况），变成固态。但氦原子之间的相互作用很弱，所以能在绝对零度下仍维持液体状态，实际上这时液体中的原子会突然失去随机运动的特性，而以有序的方式运动，从而创造出超流体的奇特属性。 首先，超流体没有内粘滞性。试管中的超流体会看似违反了万有引力和表面张力的原则沿管壁向上“爬”，还易渗漏，因为它可以通过任何微小的孔洞“钻出去”（超流体可以流过半径为十的负五次方厘米的小孔或毛细管）。除此之外，超流体也表现出奇怪的热力学性质，它们具有零熵值和无限大的热传导率，这意味着两个超流体之间不会有温差。如果传热给超流体，那么它的传热速度会快到形成热波，而普通液体是不具有这个属性的。 6.玻色-爱因斯坦凝聚态
玻色-爱因斯坦凝聚态以低调又难以理解而闻名。首先，我们必须要理解什么是玻色子和费米子。费米子是具有半整数自旋的基本粒子（如电子）或复合粒子中的重子（如质子），并遵循让电子简并态成为现实的泡利不兼容原理。而玻色子（boson）则是拥有整数自旋的粒子，多个玻色子可占据相同的量子态。玻色子包括所有能传递作用力的基本粒子（例如光子）和一些原子，如上文的超流体氦-4和其他一些气体。这一类元素统称为玻色子。 在二十世纪20年代，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）借鉴印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose）的成果提出一种新的物质形态。爱因斯坦最初的推论是，如果冷却特定元素的气体至接近绝对零度，那么他们的原子波函数（审校注：对于多电子的原子，或者是多粒子的系统而言，其主要存在的空间是所有电子的可能结构，波函数则描述这些结构的机率）会联合创建一个“超级原子”，这种物质会表现出宏观量子效应。但直到二十世纪90年代，才有技术能冷却这些元素到足够低的温度。1995年，研究员埃里克·康奈尔（Eric Cornell）和卡尔·威曼（Carl Wieman）将两千多个原子聚合成玻色-爱因斯坦凝聚态，达到了显微镜下可观测的水平。 玻色-爱因斯坦凝聚态与超流体相类似，但也有其特有的性质。最令人震惊的是BEC居然可以减缓光速。1998年，哈佛研究员莱娜·孝（Lene Hau）用激光照射一个雪茄形的BEC，成功使光速降到每小时60千米。在接下来的实验中，孝的研究团队在激光射入样品的同时关闭了激光，光线呈现出完全静止的状态。这些实验的成功开辟了光通迅和量子计算的全新领域。 5.姜-泰勒金属
姜-泰勒金属（Jahn-Teller Metals）可以说是物质状态大家庭里的新生儿，2015年科学家们头一次成功创造出这种金属。如果该金属能被其他实验室认可，这将改变我们对整个世界的认知，因为姜-泰勒金属既是超导体，又是绝缘体。 由化学家科斯马斯·普拉萨斯（Kosmas Prassides）带领的研究团队将铷原子引入碳60（又称巴基球）中，改变了碳原子之间的距离，迫使其形成了一种新的晶体结构。该金属的名字来源于姜-泰勒效应（Jahn-Teller effect），该效应描述了压力是如何改变分子几何结构从而形成新的电子排布。从化学的角度上看，压力不光可以通过压缩物体来实现，还可以通过在原有结构的基础上增加新的原子或分子，改变基本属性来实现。 在进行碳60里引入铷原子的实验中，碳分子逐渐从绝缘体变成了超导体。根据姜-泰勒效应，分子趋于保持其原有的几何结构，于是便形成了一种看似绝缘体却拥有超导性的特殊物质。这种转变在本实验进行前从未出现过。 为何这项发现如此令人激动？因为该金属能在高温（“高”是相较于零下243.2摄氏度而言的零下135摄氏度）下成为超导体，使该金属得以大规模生产和进行更多的实验。如果以上说法被证实无误，我们将有可能大规模生产导电过程中不会产生热量、声音和其他形式能量损失的超导性材料，这将彻底改变人类今后发电及导电的方式。 4.光分子
一直以来人们都认为光子是不会产生相互作用的无质量粒子，然而过去几年里麻省理工和哈佛大学的研究人员已经发现了使光看似有质量的方法，他们甚至创造了“光分子”（light molecules），这些分子会相互排斥也能粘合。如果你觉得这听起来很无聊，不妨将这当作是制造光剑非常重要的第一步。 光分子背后的科学问题稍微有点复杂，但请坚持看下去（光剑，光剑，光剑，重要的事情说三遍）。起初研究人员利用超冷铷气体做实验创造光分子。当一个光子被射入铷气体时，它发生了偏转并与铷分子相互作用，此时光子损失能量，速度变慢。穿出气体的光子速度显着下降，但性质不变。 当他们射两个光子进入铷气体时，事情就变得怪异了，这引起了一个叫做“里德伯封锁”（Rydberg blockade）的现象。在这种状态下，一个原子被激活时，临近原子无法被激活到相同的程度，因为本质上这个激活后的原子阻止了光子前进。为了让第二个光子把周围的原子激活，第一个原子必须穿过气体继续前进。光子之间通常不会发生相互作用，但在“里德伯封锁”环境中这两个光子会伴随着能量转换和对彼此的相互作用力全程推拉着直到穿过气体。从观察者的角度来看，这些光子似乎具有质量，而且能像分子一样运动，即使它们依旧没有质量。这些从气体里出来的光子，好像结合成了光分子，能够发生偏转和变形。 要想实际应用光分子，我们还有很长一段路要走，但哈佛大学物理学教授米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）早就构思出一系列可能的用途，从制作计算机到三维晶体。当然，还有光剑！ 3.无序超齐构体
科学家在鉴定一种物质是否为新的状态时，除了属性以外还要考虑它的结构。2003年，普林斯顿大学的萨尔瓦多·托尔（Salvatore Torquato ）和弗兰克·斯蒂尔灵格（Frank H. Stillinger）提出了一种叫无序超齐构体（disordered hyperuniformity）的新物质形态。这名字听起来很矛盾，实际上因为该物质近距离看上去杂乱无章，远观时却井然有序。这样的物质同时兼具晶体和液体的特性。人们起初以为这只会出现在纯等离子体和液氢中，但近期研究人员在看似最不可能的地方：鸡的眼睛中，发现了这样的天然物质。 鸡的眼睛中有五种视锥细胞，四个用来区分颜色，一个用来检测光。然而不同于人眼或其他昆虫的六角形眼睛，其视锥细胞的排序是随机而无序的。因为鸡眼中的视细胞大小、形状各异，而且存在“禁区”（译注：每个视细胞必须与其它所有视细胞保持一定距离，同时又要与同类的视细胞保持更大的距离），这使它们不能形成如同固体粒子般有序的晶体结构。事实证明，当把所有视锥细胞看成一个整体时，我们看到的是高度有序的图形分布，就像文章所附的照片一样。因此，当我们近距离观察鸡眼中的视锥细胞时它是液体，远看时则可以把它看成固体。这不同于上文提到的非晶型固体，因为超齐构体拥有了非晶态固体所不具备的液体特性。 科学家仍在继续研究这种很可能比我们原来想的更普遍的新物态。普林斯顿大学的学者们就正在钻研，并希望能利用该物质制造出拥有自我排序结构的材料和能检测特定波长的光探测器。 2.弦网液态
真空是什么物态？大多数人应该都没想过这个问题吧。但在过去的十年间，美国麻省理工学院的文小刚和哈佛大学的迈克尔·莱文（Michael Levin）则认为他们已经通过一种新物态——弦网液态（string-net liquid），发现了超越电子的基本粒子。 研发弦网液态模型之路始于90年代中期，一科学研究团队在两个半导体之间移动电子的实验过程中发现了“准粒子”（quasiparticles）。这引起了物理界的轰动，因为准粒子好像带有分数电荷（fractional charge），这在当时被认为是不可能的。该实验小组整理数据后认为，电子可能根本不是宇宙中最基本的粒子，而且还有更多仍未发现的基本粒子。他们的劳动成果使其荣获了诺贝尔物理学奖，后来却发现这竟是实验过程里操作失误才造成的结果。于是， “准粒子”说便不复存在。 但是一些研究人员并未彻底放弃这种想法。文小刚和莱文继续研究“准粒子”，并发现一种被称为弦网的新型物质。量子纠缠（quantum entanglement）是这类物质状态的基本属性。与无序超齐构体一样，如果你近距离观看弦网，就会觉得它只是一组无序的电子。然而观查弦网结构的整体时就会发现，因为受到电子的量子纠缠，该物质其实是高度有序的。文和莱文随后还把研究工作拓展到其他粒子和纠缠特性方面。 这两位科学家利用电脑创建出该新物态模型后，发现弦网的末端能够产生他们想要的各式亚原子粒子（subatomic particle），其中还包括传说中的“准粒子”。更令人震惊的是，他们发现弦网在震动时能够支配光，这完全符合麦克斯韦方程组（Maxwell’s equations）的推算。文和莱文在他们的论文中提出：空间里充满了纠缠的亚原子粒子弦网，而我们所看到的亚原子粒子就是这些“弦”的末端。同时他们还认为其实是弦网液态物质造就了光。如果真空中也充满了弦网液态物质，我们就能统一物质和光了。 这似乎令人很难以置信，但在1972年（弦网液态被提出的几十年前）就曾有矿物学家在智利发现了一种被称为“herbertsmithite”的奇怪矿物质。（译注：herbertsmithite即液态自旋量子矿物晶体，以矿物学家赫伯特·史密斯的名字命名）这种矿物质的电子呈三角形排列，似乎与我们所知的电子间的相互作用相矛盾。然而我们通过弦网模型可以推算出这种呈现三角形的电子结构， 科学家们正在试图动手制作该矿物晶体来证明模型的准确性。不过这种理论上的物态是否确切存在，目前仍无定论。 1.夸克-胶子等离子态
作为最后出场的低调物态，不如让我们来看看所有物质的起点：夸克-胶子等离子态（quark-gluon plasma）。事实上，早期宇宙的形态与我们现在所见的完全不同，讨论这点之前咱们先科普些背景知识。 夸克是我们在属于强子（hadron）的粒子（如质子和中子）中发现的基本粒子。强子分两类：重子（Baryon）由三个夸克组成（或者三个反夸克组成反重子）；介子（Meson）由一个夸克和一个反夸克组成。夸克有分数电荷，并且被胶子（一种负责传递强核力的粒子）捆绑在一起。 夸克无法独立存在于自然界，但宇宙刚刚大爆炸的那一瞬，夸克和胶子独自存在了一毫秒。就在这一毫秒中宇宙的温度极高，以至于接近光速运动的夸克和胶子无法相互作用，所以这期间的宇宙完全由高温夸克-胶子等离子态物质组成。马上，宇宙就会降到夸克开始与胶子相互作用的温度，使它们形成像强子这样的复合粒子。在这之后，宇宙就如我们所知的，以强子和电子结合产生出最初的原子逐渐演变而来。 如今科学家们正尝试在大型粒子加速器中重建夸克-胶子等离子态。他们在实验中将类似强子的复合粒子互相撞击，为了创造出能使夸克短时间分离的温度。从这些早期实验当中，我们已经了解到夸克-胶子等离子态的一些属性，比如零摩擦以及比一般等离子体更接近液体。随着研究人员对该外来物态的深入实验，我们将对“宇宙是怎样形成的，为什么会这样形成”有更多了解。
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