地球上最危险的5种物质（10种你可能没看过最奇怪的物质状态）

绝大多数人都能轻松列出物质的三态：液态、固态和气态，上过一些科学课程的人还能再加上电浆（等离子体）。不过多年来，科学家们已经将可能出现的物质状态清单扩充到远超四项，并在这过程中学到了许多关于宇宙大爆炸、光剑的知识以及一种藏在平凡鸡只中的物质状态。

10. 非晶态固体 Amorphous Solids

非晶态固体是种有趣的型态，附属在广为人知的固态下。在普通的固体中，分子们排得相当整齐、不能随意乱动。这让固体拥有很高的黏度(不容易流动的程度)。相较之下，液体的分子结构就较不整齐，分子们可以流过彼此、喷得到处都是和让形状变得跟盛装它们的容器一样。非晶态固体正介于固体和液体之间。透过名叫玻璃化的过程，液体逐渐冷却、黏度也提高到让它不会流动。可是其中的分子并没有排列整齐，像固体一样组成晶体化的结构。

非晶态固体最常见的例子就是玻璃。几千年来，人类都用矽砂制成玻璃。其实当工人将液态的玻璃冷却到温度低于熔点时，它并没有变成固体；当温度逐渐降低，它的黏度提高，变得像是固体，可是分子依旧维持不规则的结构。这个时候玻璃就会成为无定型体。这个转变过程让艺术家所做出的玻璃雕塑美得超乎现实。

那么非晶态固体和普通固体在功能上有什么差别吗？在日常生活中不多。玻璃看起来简直就是固体，除非你用分子等级的视点来看。还有，别被「玻璃经过长时间会像液体一样流动」的说法给唬了。懒惰的导游会带你看老教堂里底部比顶端厚的玻璃，让这个流言越传越开。那只是因为工艺技术尚未成熟使得玻璃厚度不均，而厚处当然会被放在底端。虽然看起来不甚刺激，研究像玻璃这样的非晶态固体可是让研究者队形态变换和分子结构有了新看法。

9. 超临界流体Supercritical Fluids

大部分的型态转换都发生在特定温度和压力下。每个人都知道液体不断加热就会变成气体，不过如果压力也和温度同步增加，液体就会转而踏入超临界流体的领域。它同时拥有液体和气体的特性。

举例来说，超临界流体能够像气体一样穿过固体，又能够像液体一样当溶剂用。更有趣的是，它还能够借着调节温度和压力使性质更偏向液体或气体。这使得科学家们发现了超临界流体的无数用途，从最普通到最极端的。

虽然超临界流体不像非晶态固体那么常见，你碰到它的机会可能还是跟看到玻璃一样高。酿酒厂在萃取啤酒花内物质时很喜欢使用超临界二氧化碳当溶剂，咖啡公司也用它来制造更好的无咖啡因咖啡。超临界流体也用来提升水解作用的效率和使发电厂能用更高的温度运作。也许你没听过这个名词，不过你大概每天都在用它制造出来的产品。

8. 简并态物质Degenerate Matter

非晶态固体至少还在地球上，不过简并态物质只存在于特定的恒星上。简并态物质出现的条件是物体向外的压力不像在地球上一样由温度决定，而取决于复杂的量子理论(通常是包立不相容原理Pauli exclusion principle)。因此，简并态物质的外部压力会保持不变，即使温度降到绝对零度。简并态物质主要有两种，电子简并态物质和中子简并态物质。

电子简并态物质主要出现于白矮星。当核心周围的物质要将核心的电子压缩到低能态时，核心就会生成电子简并态物质。不过根据包立不相容原理，不同的组成粒子不得占据同一量子态。于是粒子就会将周围的物质往外推，形成一股外向压力。这也是因为量子法则规定，核心的电子不得处于最低的能阶。只有在这个恒星的质量低于太阳的1.44倍时，这状态才得以维持。一旦质量超过这个门槛称为钱德拉赛卡极限(Chandrasekhar Limit)时，星球就会崩毁成中子星或黑洞。

当恒星崩毁成中子星时，它会失去电子简并态物质，改由中子简并态物质组成。由于中子星实在太重，使得核心内的质子和电子开始融合、产生中子。自由中子(不受原子核束缚的中子)的半衰期通常是10.3分钟，不过在中子星的核心里，恒星的巨大质量使中子能存在于原子核外，形成中子简并态物质

可能还有别种外星简并态物质存在，包括奇异物质。这种物质可能存在于夸克星(quark star)这种稀少的恒星上。夸克星是种介于中子星和黑洞间的阶段，核心中的夸克会发生去耦合，制造出大量的自由夸克。我们目前还没有找到这种恒星，不过物理学家持续在建立它们存在的理论。

7. 超流体Superfluid

咱们回到地球来谈谈超流体吧。当氦、铷或锂的某种同位素冷却到接近绝对零度时，就会得到超流体。这物质很接近玻色─爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein condensate)，不过有些小差异。某些玻色─爱因斯坦凝聚是超流体，反之亦然，不过并非完全吻合。

最常见的超流体是液态氦。当氦的温度降到克氏2.17度，也就是所谓的拉目达点(lambda point)时，一部份的液体会成为超流体。大部分的物质在冷却到某个温度时，原子间的引力会大过热震动而让物质成为固态。但是氦原子间的引力太小，使它在温度降到绝对零度前都还能保持液态。事实上，在这个温度下各原子的特性会重叠，造成超流体的奇妙性质。

简单地说，超流体没有黏度。放在试管中的超流体会沿着管壁向上爬，好像无视重力和表面张力法则。液态氦非常容易渗漏，因为它能够穿过极其微小的洞孔。超流体还拥有怪异的热力学特性。它的热力学熵是零，热导率是无限大，也就是说两个超流体间不会有热度差。导入超流体的热量会传播得非常快，以至于产生热波。这是普通液体不会出现的现象。

6. 玻色─爱因斯坦凝聚体Bose-Einstein Condensate

玻色─爱因斯坦凝聚体大概是物质状态中最不明确的种类之一，也是最难懂的之一。首先，我们必须先了解玻色子和费米子是什么。费米子是自旋为半整数的基本粒子(如电子)或是复合粒子(如质子)。这些粒子都遵守让电子简并态物质存在的包立不相容原理。相反地，玻色子的自旋为整数，而且复数个玻色子可以占据同个量子态。玻色子包括能传递作用力的粒子(如光子)和某些原子，像是我们的朋友氦-4和别的气体。这一类元素被称为玻色原子。

爱因斯坦在1920年代用了印度物理学家萨德延德拉‧玻色(Satyendra Nath Bose)的工作成果假设有一种新物质。爱因斯坦创的理论是：如果你将某些元素气体冷却到高于绝对零度的非整数温度，它的波函数会合并起来，创造出一个「超级原子」。这种物质能够表现出巨观等级的量子效应。不过能够将元素冷却至适当温度的技术直到1990年代才出现。1995年，研究者Eric Cornell和Carl Wieman成功以2000颗原子合成出大到足以用显微镜观测的玻色─爱因斯坦凝聚体。

玻色─爱因斯坦凝聚体跟超流体关系密切，不过拥有不同的特性。玻色─爱因斯坦凝聚体最惊人的性质是它能让光的速度从每秒30万米慢下来。哈佛的研究者Lene Hau在1998年让雷射光穿过一只雪茄型的玻色─爱因斯坦凝聚体，成功让光速减慢到只剩时速60公里。Hau的团队甚至在雷射光通过样品时将雷射关闭，让光停留在玻色─爱因斯坦凝聚体中。这些实验开启了光通讯和量子运算的全新领域。

5. 杨-泰勒金属Jahn-Teller Metals

杨-泰勒金属在物质状态家族中是个新成员，直到2015年研究人员们才成功将它制造出来。如果成果经过其他实验室认可，将会大大改变我们认知的世界，因为杨-泰勒金属同时拥有绝缘体和超导体的性质。

由化学家Kosmas Prassides率领的研究人员用了碳60分子carbon-60 molecules (又称巴克球)作实验，将铷放进它的结构中使碳60分子变成新的形状。这金属以杨-泰勒效应命名是因为它解释了压力如何改变分子的几何造型并改变电子组态。在化学上，压力不只靠挤压来造成。在既有结构中加入原子或分子来改变基本性质也能办到。

当Prassides的团队将铷放进碳60分子中，这个碳分子就从绝缘体变成了超导体。不过根据杨-泰勒效应，分子会试图保持旧有的组态。于是就出现了一种像是绝缘体却拥有超导体性质的物质。这个转变过程在本实验进行前从没出现过。

杨-泰勒金属让人兴奋的是它在较高的温度下就能变成超导体(摄氏-135度，和摄氏-243.2度比起来)。这使它更有希望能在合理的成本下进行实验和量产。如果实验室的主张属实，我们就更接近可量产的无电阻导体了。它不放热、无噪音，也不散失能源，将会掀起能源制造和输送的革命。

4. 光子态物质Photonic Matter

长久以来，我们对光子的传统认知就是它是没有质量而且不相互干涉的粒子。不过近几年来，麻省理工和哈佛的研究者发现了一些方法可以让光好像带有质量，更进一步创造了会互相碰撞、吸引的「光粒子」。如果这样听起来不好玩，那你就当作这是造出光剑的第一步吧。光子态物质背后的理论有点复杂，不过听好啰(想想你的光剑)。研究人员拿极冷的铷气体来做创造光子态物质实验。当光子射进气体时，它会偏折并和铷粒子发生反应，于是失去能量而慢下来。最后，穿过气体的光子速度明显下降，不过性质不变。

当发射两颗光子进气体里时，事情就不太对劲了。这时会发生一种叫里德柏障碍(Rydberg blockade)的现象：当原子被光子激发后，附近的原子就不能被激发到同一个位阶。简单来说，被激发的原子会挡住光子的路。于是第二颗光子要激发原子就必须要等第一颗穿过气体。光子通常不会彼此干涉，但是当它们碰上里德柏障碍时就会互相推挤、传递能量并且互相作用。从旁观察时，这两颗光子就好像具有质量、变成了单一分子─即使它们还是没有质量。当光子穿出气体时，好像就成了光的分子，可以偏折或塑型。

光子态物质要实际应用还有很长一段路要走，不过研究员Mikhail Lukin已经列出了一串可能的用途，从电脑到用光构成的3D晶体。当然，还有光剑。

3. 无序超齐构体Disordered Hyperuniformity

科学家在定义一种物体是否为新的状态时除了看它的性质外，也要看它的结构。普林斯顿大学的Salvatore Torquato 和Frank H. Stillinger在2003年发表了一种称之为无序超齐构体的新物质状态。这名字听起来很矛盾，不过它的意思是这新物质近看相当杂乱，不过远看结构就井然有序。这种物质同时具有晶体和液体的性质。一开始，这好像只会出现在电浆和液态氢中，不过研究员们最近在大自然中一个看似最不可能的地方找到了范本：鸡的眼睛里。

鸡眼中有五个锥状体，四个侦测颜色、剩下一个则侦测亮度。不过这些锥状体和人眼或昆虫的六角形眼球不同，是随机分布的。会这样是因为这些锥状体周围有一圈互斥区，不容许同类靠在一起。由于互斥区的存在和锥形的形状，它们无法组成规则的晶体结构(像我们在固体里看到的那种)。然而当我们把所有锥状体视为一个整体时就会发现它们其实具有很整齐的形式，像普林斯顿公开的这些照片中所见。于是，这些锥状体近看时是液体，远看却是固体。和前面提过的非晶态固体不同的是超齐构体动起来像液体，非晶态固体则否。

科学家还在研究这种新状态，它似乎比本来认为的更加常见。现在，普林斯顿的研究者正在研究以这种齐构体做出会自动成型的结构物和针对特定波长光线的侦测器。

2. 弦状网液态String-Net Liquid

宇宙的那片真空是哪一种物质状态？很多人没有仔细想过这个问题。但过去十年来麻省理工的文小刚和哈佛的Michael Levin提出了一种新物质状态，也许会在探索比电子更基础的粒子时成为关键。

开发弦状网液态理论之路始自90年代中期。当时有一群科学家提出了称为「准粒子」的物质，似乎是在实验中由电子穿过两个半导体产生的。这发现引起轩然大波，因为准粒子似乎拥有非整数个电荷，而当时的物理学认为这是不可能的。团队收集了数据，并假设电子不是构成宇宙的基本粒子，还有更多基本粒子没被发现。这发现为他们赢得诺贝尔奖，不过之后却被发现这结论来自于错误的实验数据，准粒子理论也就消失了。

不过某些研究者没有完全放弃。文和Levin接收了准粒子的研究并提出了弦状网这个新的物质状态。这个状态的基本性质是量子缠结。它有点像无序超齐构体：近看弦状网时，它似乎有大量的无序电子；不过看整体时，它又因为电子的量子缠结性质而有秩序。文和Levin接着扩大了它们的工作以指出其它粒子和缠结性质。

新状态的电脑模型开始运作之后，文和Levin发现弦状网的末端会产生许多种让大家越来越有兴趣的次原子粒子，包括之前虚构的准粒子。更震惊的是，当弦状网震动时，粒子也会依照主掌光的马克士威方程式震动。文和Levin在他们的论文中提出假设说宇宙充满了由次原子粒子缠绕组成的弦状网，而弦状线的末端就是我们看到的次原子粒子。他们也猜测这些弦状网液态就是光发生的原因。如果宇宙的真空中充满了弦状网液态，我们就能够整合物质和光。

这些听起来也许很牵强，不过1972年(弦状网假说提出多年前)，地质学家在智利发现了一种称作二维阻挫反铁磁体(herbertsmithite)的矿物。在这种矿物中，电子组成三角形结构，和我们所知的电子互动方式有冲突。不过弦状网模型却预测到这种三角结构的存在，研究者也试着以人工方法制造出这种矿物来证明模型是正确的。很不幸的是，这种理论中的状态是否存在仍未有定论。

1. 夸克-胶子电浆Quark-Gluon Plasma

最后我们就来回顾一种一切起源时的模糊物质状态：夸克-胶子电浆。事实上，早期宇宙的物质状态和古典的这几种完全不同。首先，来谈点背景知识。

夸克是我们在强子(如质子和中子)中找到的基本粒子。强子是由三个夸克或一个夸克加一个反夸克组成。夸克拥有非整数个电荷、由胶子这种负责传递强作用力的粒子组合起来。

我们在自然中无法看到自由夸克，不过在宇宙大爆炸发生后，自由夸克和胶子存在过一毫秒。这段时间内，宇宙的温度极高，使得夸克和胶子都以直逼光速的高速移动、很少彼此作用。这时整个宇宙都充满了这滚烫的夸克-胶子电浆。再过了不到一秒，宇宙冷却到足以让强子之类的重粒子形成，夸克和胶子也开始彼此作用。这时强子和电子结合成为原始的原子，我们所知的宇宙也开始成形。

在现阶段的宇宙，科学家们试图用大型粒子加速器来重现夸克-胶子电浆。强子等重原子在实验中被拿来互相碰撞，制造出短暂的高温使夸克得以分离出来。从早期的实验中我们已经得知夸克-胶子电浆的某些特质，像是它完全没有摩擦力，以及比我们已知的电将更接近液体。随着科学家对这神秘物质状态的实验继续进行，我们会更清楚这个宇宙是为何、又如何成形。

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