从水三态到夸克等离子体：一文读懂物质的七种形态

从水三态到夸克等离子体：一文读懂物质的七种形态

物质到底有几种状态？这个问题的答案远比我们想象的要复杂。从初中物理课本上的固态、液态、气态，到科学家在极端条件下发现的等离子体、夸克-胶子等离子体、玻色-爱因斯坦凝聚态和费米子凝聚态，物质的状态远比我们想象的要丰富得多。

大部分人对物质状态的认知可能还停留在"冰-水-水蒸气"的经典三态变化。但如果有人问你："宇宙中物质有几种状态？"答案绝对不是3。

在极端条件下，物质会展现截然不同的物理性质。我们生活在地球表面这个温和的环境中，自然只能日常接触到固体（如石头、冰）、液体（如水、油）和气体（如空气）。但宇宙可不仅局限于这些条件，在更极端的环境下，物质会呈现出完全不同的状态。

最近，微软CEO萨蒂亚·纳德拉在谈论他们的量子计算芯片时，提到了"拓扑超导体"是一种新型物质状态。不过物理学家们并不这么认为。

那么实际上，物质到底有几种状态呢？

当温度足够高时，物质中的原子会失去电子，形成带电粒子的"汤"，这就是等离子体——物质的第四态。太阳和其他恒星主要由等离子体组成，在地球上，闪电和霓虹灯管中的气体也是等离子体状态。

有趣的是，如果你把一个葡萄切成两半但留一小条皮连接，放入微波炉加热，连接部分会产生火花，这就是等离子体！

当能量进一步提高，甚至质子和中子也会分解成更基本的粒子（夸克和胶子）时，就形成了夸克-胶子等离子体——物质的第五态。这种状态曾在宇宙大爆炸后的第一微秒存在，现在只能在像欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机这样的设备中短暂重现。

如果说高能量让物质分解，那么极低温度则让物质展现出量子特性。这就引出了物质的第六和第七态。

要理解这两种状态，我们需要先了解粒子的基本分类：

• 费米子：自旋为半整数（如电子、质子、中子）
• 玻色子：自旋为整数（如光子、某些原子）

费米子遵守泡利不相容原理，不能共享同一量子态；而玻色子则完全没有这个限制。

当玻色子被冷却到接近绝对零度时，它们会集体降至最低能量状态，形成玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）——物质的第六态。1995年，科学家首次在实验室中制造出气体原子的BEC，这一成就获得了2001年诺贝尔物理学奖。

玻色-爱因斯坦凝聚态中的原子会表现出集体量子行为。图片来源：ESA/佛罗伦萨大学

那费米子呢？

在2003年，物理学家德博拉·金（Deborah Jin）通过巧妙地将费米子配对，使它们表现得像玻色子一样，实现了费米子凝聚态——物质的第七态。这种状态在超导体中也能看到，电子形成所谓的"库珀对"，能够无阻力地传导电流。

所以，综合来看，科学界目前公认的物质七态是：

1. 固态：分子紧密排列，有固定形状和体积
2. 液态：分子间距较大，有固定体积但形状可变
3. 气态：分子自由运动，既无固定形状也无固定体积
4. 等离子体：原子失去电子形成的带电粒子混合物
5. 夸克-胶子等离子体：质子和中子分解后的状态
6. 玻色-爱因斯坦凝聚态：玻色子在超低温下的集体量子态
7. 费米子凝聚态：费米子在特殊条件下形成的集体量子态

除此之外，暗物质可能为我们提供了解更多物质状态的线索。在宇宙广阔的空间中，中微子或暗物质可能会形成自己的凝聚态。解开暗物质之谜的关键，或许就隐藏在这些罕见的物质状态中。

那么，第八种物质状态会被发现吗？尽管目前科学界只认可七种，但科学的边界一直在拓展。也许下一个物理学诺贝尔奖得主，正在他/她的实验室里即将发现物质的新状态呢！

小知识：尽管"拓扑超导体"不是独立的物质状态，但它确实是一种有趣的物理系统，有望用于量子计算中的量子比特，可能彻底改变未来计算机的面貌。