□文/蔡鍇

大家都知道物質(zhì)有3 種狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。當(dāng)然，如果你平時(shí)關(guān)注科學(xué)新聞，可能聽說過物質(zhì)還有等離子態(tài)（又稱為超氣態(tài)）和玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。這樣，就有5 種物質(zhì)狀態(tài)了。

但是簡(jiǎn)并態(tài)物質(zhì)呢？拓?fù)涑瑢?dǎo)體？時(shí)間晶體？這些都可以算是物質(zhì)的狀態(tài)（或者說“相”），盡管我們?cè)谌粘Ｉ钪胁粫?huì)遇到它們。

實(shí)際上，物理學(xué)家已知的物質(zhì)狀態(tài)有上千種，他們不斷找到新的物質(zhì)狀態(tài)。據(jù)估計(jì)，潛在的物質(zhì)狀態(tài)可能達(dá)上百萬之多。

隨著對(duì)物理學(xué)認(rèn)識(shí)的不斷深入，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)日常生活中遇到的物質(zhì)狀態(tài)比我們想象的要多。例如，在物理學(xué)家眼里，冰箱上的磁鐵與冰箱本身是不同形式的物質(zhì)；酒杯和它下面的木架子同樣代表著兩種不同的物質(zhì)狀態(tài)。

什么是物質(zhì)狀態(tài)

物質(zhì)的狀態(tài)實(shí)際上是指原子或其他組成物質(zhì)的粒子的排列方式。不同的排列方式造成了物質(zhì)不同的屬性。

在固體中，分子以晶格結(jié)構(gòu)排列，從而提高了材料的剛性。

在液體中，分子是流動(dòng)的，但是它們無法像在氣體中那樣容易地彼此靠近或遠(yuǎn)離。

在等離子體中，分子像氣體一樣流動(dòng)，但是它們的電子可以自由移動(dòng)，使其易于導(dǎo)電。

物質(zhì)的粒子可以有無窮多的排列方式。例如，晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中全部對(duì)稱要素的集合稱為 “空間群”，而所有晶體結(jié)構(gòu)都加起來也僅有230 種這樣的空間群。每個(gè)空間群都是一種不同形式的物質(zhì)，可以是導(dǎo)體或絕緣體，具體取決于電子的空間分布。

當(dāng)溫度極高或極低，且壓力非常大時(shí)，正常物質(zhì)會(huì)變得具有奇特屬性。例如，在中子星內(nèi)部，原子核可能會(huì)凝聚成一種所謂的簡(jiǎn)并物質(zhì)，其中電子和質(zhì)子被迫合在一起形成中子，甚至?xí)鄢蓛H由基本粒子構(gòu)成的夸克—膠子等離子體。又例如，當(dāng)分子處于絕對(duì)零度附近時(shí)，量子力學(xué)效應(yīng)會(huì)變得在宏觀尺度上可見——分子們不會(huì)再亂跑，而是像量子力學(xué)里的物質(zhì)波一樣運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)多個(gè)原子的集合體冷卻到接近絕對(duì)零度，并開始形成玻色—愛因斯坦凝聚體時(shí)，它們會(huì)變得像一個(gè)大原子一樣。這給了它們獨(dú)特的性質(zhì)，例如完全不具備黏性。

操控那些神奇的自旋和超導(dǎo)

在荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)研究凝聚態(tài)理論的副教授賈斯珀·范韋澤爾表示，我們一直在尋找新物質(zhì)狀態(tài)的原因之一是有許多新狀態(tài)還有待發(fā)現(xiàn)。他說道：“原子或分子具有很多性質(zhì)，其排列方式也多種多樣。窮盡所有的可能性需要時(shí)間?！?/p>

隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們有能力在更極端的條件下以更高的精度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。例如，現(xiàn)在我們可以看到，各種材料中的粒子具有不同的自旋。自旋是粒子固有的屬性，是產(chǎn)生磁場(chǎng)的原因。

范韋澤爾說：“在20 世紀(jì)50 年代，你只要測(cè)量磁化強(qiáng)度，然后說‘看，它們都是磁性的，我可以將它們都粘在冰箱上，就是這樣’。但現(xiàn)在，我們有了進(jìn)入材料并觀察每個(gè)自旋的工具，我們可以說‘看，它們都是有磁性的，不過這種物質(zhì)每個(gè)自旋的z 方向分量都是反轉(zhuǎn)的，而另一種物質(zhì)卻不這樣，所以它們不一樣?！庇辛诉@些新發(fā)現(xiàn)的知識(shí)，物理學(xué)家也許能夠操縱這些自旋來創(chuàng)建具有全新特性的材料。

夸克—膠子等離子體

尋找新的方式利用物質(zhì)也是物理學(xué)家著迷于尋找新的物態(tài)的原因之一。

美國(guó)萊斯大學(xué)物理系助理教授卡登·哈扎德說：“每次發(fā)現(xiàn)的新物態(tài)都具有我們無法想象的新特性。如果你所擁有的只是液體，而有人給了你一塊磚，那么，你突然就有能力做以前無法辦到的事情。”

例如，當(dāng)某些材料冷卻到非常低的溫度時(shí)，它們可以成為超導(dǎo)體，這意味著它們能以零電阻傳輸電流。對(duì)于商業(yè)應(yīng)用而言，這意味著電力損失非常少，以及更高的計(jì)算機(jī)效率。

最近發(fā)現(xiàn)的一種稱為拓?fù)涑瑢?dǎo)體的物態(tài)，其物質(zhì)內(nèi)部是電絕緣的，但其邊緣卻是導(dǎo)電的。這種獨(dú)特的功能可以在量子計(jì)算機(jī)中使用，以保護(hù)能存儲(chǔ)信息但很脆弱的量子比特。

物理學(xué)家一直致力于尋寶活動(dòng)

盡管一些令人興奮的物質(zhì)特性還有待發(fā)現(xiàn)，但物理學(xué)家認(rèn)為它們是存在的。例如，室溫超導(dǎo)體長(zhǎng)期以來一直被視為凝聚態(tài)物理的圣杯，這種材料將改革我們的用電方式。

當(dāng)下，許多物理學(xué)家正在積極尋找的另一種物質(zhì)叫作量子自旋液體，當(dāng)其粒子的自旋開始相互影響時(shí)，會(huì)意外產(chǎn)生磁性。這類物質(zhì)可以用來做更好的量子計(jì)算機(jī)，甚至有助于制造室溫超導(dǎo)體。

這些發(fā)現(xiàn)促使尋找新物態(tài)成為物理學(xué)家的尋寶活動(dòng)。毫無疑問，物理定律中存在著更多意想不到的特性。只等物理學(xué)家找到粒子的正確排列和它們的物理狀態(tài)，使它們成為現(xiàn)實(shí)，而這將賦予人類前所未有的能力。