100种常见物质（稀有而极端的第六种物质状态）

​物质一共有几种状态？你可能从很早之前就知道三种最常见的状态——固体、液体和气体在地球表面，这三态随处可见，岩石是固体，水是液体，而我们呼吸的空气是气体三种状态在温度和压力的作用下可以相互转换，今天小编就来说说关于100种常见物质?下面更多详细答案一起来看看吧!

100种常见物质

​物质一共有几种状态？

你可能从很早之前就知道三种最常见的状态——固体、液体和气体。在地球表面，这三态随处可见，岩石是固体，水是液体，而我们呼吸的空气是气体。三种状态在温度和压力的作用下可以相互转换。

但这显然不是故事的全貌。如果我们进入亚原子的世界，也就是在比原子更小的尺度上，更加精彩的故事刚刚展开。

原子实际上是由原子核以及核外的电子组成。如果用足够的能量轰击原子，把它的电子踢开，就能创造出电离等离子体，这是物质的第四种状态。（详见《神秘而强大的第四种物质状态》。）

但是，除了最常见的三态，以及这种高能的电离等离子体之外，当物质处于极低温的状态下，比如接近绝对零度的时候，两类粒子——玻色子与费米子也能以各自独特的方式凝聚，从而创造出第五种和第六种物质状态，它们分别被称为玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）和费米凝聚。

在极低温的状态下，凝聚会出现，它们具有独特的性质。| 图片设计：雯雯；素材参考：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

要了解物质的第五和第六种状态，我们可以先回忆一下粒子世界。

上个世纪，物理学家发现了原子核中的秘密。原子核其实还可以进一步被“拆分”成质子与中子，它们分别又由三个夸克组成。负责传递强核力的胶子就像胶水一样，将三个夸克紧密地“粘”在一起。

质子（左）和中子（右）分别由三个夸克构成，u代表上夸克，d代表下夸克。负责传递强核力的胶子会将夸克牢牢地”粘“在一起。

夸克和电子都属于标准模型中的基本粒子，也就是不可再分割的粒子。一个关键的点在于，标准模型中的每一种基本粒子，甚至宇宙中的每个复合粒子，要么是费米子，要么是玻色子。

当我们测量费米子的自旋（内禀角动量）时，总会得到以普朗克常数除以2π为单位的半整数值，比如1/2、3/2、5/2等等。相反，玻色子的自旋总是整数值，也就是0、1、2……

费米子与玻色子还有一个重要的区别是，费米子遵循泡利不相容原理，也就是说，在费米子组成的系统中，两个或两个以上的费米子不能占据相同的量子态。但是，玻色子则没有这样的限制。因此，玻色子可以坍塌到相同的量子基态。这个过程就被称为BEC，它被认为是超导的核心。

1995年，物理学家最早利用磁场，在铷原子蒸汽中得到了BEC。近日，在国际空间站，研究人员首次在失重条件下创造出了BEC。（详见《首次在太空中，创造出第五种物质状态》。）

那么，如何才能达到第六种物质状态？

事实上，费米凝聚的故事可以追溯到20世纪50年代，诺贝尔物理学奖得主库珀（Leon Cooper）取得的一项令人震惊的突破。

电子是一种费米子，每一个电子都倾向于维持自己的量子态。但是，在一个温度极低的导体中，带负电的电子会轻微地改变导体中正电荷的“结构”，导致电子经历一种微小的相对吸引力。这会导致两个电子配对形成库珀对。

在低温的导体中，电子会配对形成库珀对。| 图片来源：Tem5psu/Wikicommons

而库珀对的行为则更像玻色子，它们可以愉快地共享相同的态，从而实现费米凝聚。1971年，氦-3被证明在低于2.5毫开尔文（millikelvin）的温度下会变成一种超流体，这是第一次证明一种只包含费米子的超流体。2003年，物理学家金（Deborah Jin）的实验室利用强磁场和超低温诱导原子，成功创造了第一个基于原子的费米凝聚。

费米子钾原子对形成的凝聚的假色彩图像。从左到右的图像对应着随磁场强度变化，形成费米子对的原子之间吸引力增强。| 图片来源：Markus Greiner/University of Colorado, Boulder

费米凝聚所需的温度比BEC所需的温度更低，但它同样表现为一种超流体。为了从物质中创造出费米凝聚，你必须达到一些特殊的极端条件，比如温度低于50纳开尔文（nanokelvin），外加时变磁场。

一些研究人员认为，有关BEC与费米凝聚的突破，能够帮助我们理解超导性和超流性。金曾表示，她相信通过费米凝聚认识到的基本物理，最终将帮助其他科学家设计出更实用的超导材料。

与此同时，尽管这两种物质状态目前还只能在实验室中被创造出来，但它们也有可能在宇宙中扮演着重要角色。在浩瀚的宇宙中，中微子（费米子）或暗物质（可能是费米子，也可能是玻色子）非常有可能聚集在一起，形成它们自己的凝聚。一些科学家相信，解开宇宙最大谜团之一的关键，有可能就藏在这些最稀有、最极端的状态之中。

参考来源：

http://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/06/09/what-are-the-fifth-and-sixth-states-of-matter/?from=from_parent_docs#79cb3cf54a7f

http://physicsworld.com/a/fermionic-condensate-makes-its-debut/

封面图来源：Pixabay