物質有哪些狀態呢？在思考這個問題的時候，大部分同學想的其實是「地球上的物質有哪些狀態」。生活中最常見的物質狀態莫過於固態、液態、氣態，其實在打雷的時候，雲層裡就有第4種物質狀態「等離子體」，可以把它理解成一種丟失了電子的氣體。人們掌握了製造等離子體的技術，把它用在霓虹燈裡，因為它是重量輕、安全、容易控制的電導體。
地球上氣溫宜人，而宇宙空間溫度極低，只有3K（注1），接近絕對零度（0K），換算成我們常用的單位是零下270.15攝氏度。在宇宙的低溫下，物質是不是會呈現出奇特的狀態呢？
早在20世紀20年代初，愛因斯坦和印度數學家玻色就預言了物質存在第5種狀態——玻色-愛因斯坦凝聚態，它是物質在接近絕對零度時才會呈現的狀態。與玻色子相對的是費米子，費米子可以構成物質的第6種狀態——費米子凝聚態。
當原子深度冷卻時，能量很低，行動特別遲緩，因此，原本無法靠近的幾個原子可以靠得很近，甚至相互重疊。這時的物質狀態既不像單個原子，又不像分子，而是一種具有統一量子態的實體。
玻色-愛因斯坦凝聚態特別不穩定，很容易分解成普通的原子，所以很難製備，實驗受到一點點幹擾就會功虧一簣。1995年，美國天體物理學聯合實驗室（JILA）成功製備了玻色-愛因斯坦凝聚態，當時是把玻色子（大約2000個銣-87原子）約束在磁場裡，同時用雷射冷卻降溫到170 nK（170納開爾文）。製備得到的玻色-愛因斯坦凝聚態很少，直徑只有大約20微米，而且壽命很短暫，只能維持百分之幾秒。同年，美國麻省理工學院用鈉-23也製得了玻色-愛因斯坦凝聚態。這兩項成果獲得了2001年的諾貝爾物理獎。
近期，美國NASA科學家在外太空的實驗室（國際空間站）製備出玻色-愛因斯坦凝聚態。因為太空實驗室具有獨特的微重力環境，可以取代磁場，所以延長了玻色-愛因斯坦凝聚態的壽命，達到1秒以上。
結語
科學家在最極端的環境下製造最極端的物質形態，是因為研究玻色-愛因斯坦凝聚態不僅可以檢驗愛因斯坦的廣義相對論，還可以加深人們對宇宙中物質形態的理解，有利於搜索暗物質和暗能量。
參考資料：D. C. Aveline, et al., Observation of Bose–Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab, Nature 2020, 582: 193-197.注1：宇宙微波背景輻射的溫度