責編 小 雨
圖片來源：非晶中國大資料庫
大部分人都能輕易說出固、液、氣這三種物質狀態，上多兩堂物理課的人還能說出等離子態。時代不斷發展，科學家們早已加長了四大物態列表，奇妙的宇宙尚有太多的未解之謎，存在的物態又豈只這四型。從宇宙大爆炸、星球大戰裡傲人的光劍到不能再平凡的雞，一切其實都同樣的不可思議。大自然偷偷在我們身邊藏了不少物態，它們低調地活著，默默等待各自的伯樂。
非晶態固體（Amorphous solid又稱無定形體或玻璃體）從屬於固體，卻比我們熟知的固體有趣多了。普通固體中的分子緊密結合且不能隨意運動，這使固體具有高粘度，意味著物體難以流動。我們再來看看液體，液體有著不規則的分子結構，分子們能自由流動穿過彼此，或是遇力互相分離向四周飛濺，液體的形狀與其容器形狀一致。非晶態固體則處在這兩種狀態之間。在玻璃化（審校註：vitrification玻璃化是將某種物質轉變成玻璃樣無定形體即玻璃態的過程，是一種介於液態與固態之間的狀態，在此形態中沒有任何的晶體結構存在）過程中，液體被冷卻使粘度增加至無法流動的程度，但其分子保存無序，無法形成普通固態中的晶體結構。
最常見的非晶態固體是玻璃。數千年以來，人們一直在用二氧化矽（silica）製造玻璃。其實當工人將液態二氧化矽冷卻到低於其熔點溫度時，它並沒有變成固體；隨著溫度逐漸降低，液態二氧化矽粘度增大，呈現出類似固體的形態，然而其分子仍保持不規則結構，這時的玻璃就是非晶態固體。藝術家們能夠利用這一轉變過程創造漂亮夢幻的玻璃雕像。
那麼非晶態固體和普通固體在功能上有什麼區別呢？在我們日常生活中，二者可以說沒啥區別，除非從微觀的角度來觀察，否則玻璃看起來根本與固體沒差。另外，不要被長期以來玻璃會像液體一樣流動的傳言所欺騙，只有那些不稱職的導遊才會在給遊客介紹教堂的老式玻璃時炫耀這種無稽的傳言。這種老式玻璃往往越接近底部越厚，實際上是早期製作工藝尚未成熟而導致玻璃的厚度不均勻，安裝時人們自然會將厚的那一邊放在底端。也許猶如玻璃的非晶態固體看起來並沒什麼特別之處，卻給科學家們研究相變（審校註：phase transition相變是指物質在外部參數，如：溫度、壓力、磁場等等，連續變化之下，從一種相或稱相態忽然變成另一種相，最常見的是冰變水和水變成蒸汽。然而，除了物體的三相，即固液氣態變化，自然界還存在許多的相變現象，例如日常生活中另一種較常見的相變是加熱一塊磁鐵，磁鐵的鐵磁性忽然消失）和物體的分子結構帶來了新思路。
金屬玻璃（非晶態合金），近年來研究較熱，是一種有趣的非晶態固體。
大多數的相變發生在特定的溫度和壓強下。人人都知道氣溫上升能使液體轉變成氣體，然而當壓強隨著氣溫一同上升時，液體會直接變成兼具液體性質與氣體性質的超臨界流體。
舉例來說，超臨界流體能夠像氣體一樣（幾乎無表面張力）滲入多孔性組織中，也能像液體一樣充當溶劑。更有趣的是，壓強和溫度結合的比例不同可以使超臨界流體偏向氣體或液體。這使科學家腦洞大開，構思出從高難度科技到貼近我們普通生活的利用超臨界流體的各種方法。
儘管感覺上超臨界流體不像非晶態固體一樣常見，但實際上我們接觸超臨界流體的製品可能並不比玻璃少。超臨界二氧化碳（supercritical carbon dioxide）作為溶劑，有利於啤酒廠萃取啤酒花以及咖啡公司製造更好的低因咖啡（審校註：物體在不同相態時化學性質也會發生變化，二氧化碳在氣體狀態下不具萃取能力，但當進入超臨界狀態後，二氧化碳變成親有機性，因而具有溶解有機物的能力，此溶解能力會隨溫度及壓力而有所不同）。不僅如此，超臨界流體還可以提高水解效率，使發電廠的機組溫度更高（從而提高熱效率，有顯著的節能和改善環境的效果）。雖然超臨界流體作為一種物質狀態鮮為人知，但你可能每天都在接觸和使用該技術製造的各種產品。
非晶態固體起碼還能出現在地球上，簡併態物質（degenerate matter）卻只能存在於特定類型的恆星。該物質只能存在於受量子（通常情況下遵循泡利不兼容原理Pauli exclusion principle）支配的壓強空間，而不能存在於像地球一樣受溫度（或者說熱運動）支配的壓強空間，因此即使是在絕對零度（審校註：absolute zero 理論上若粒子動能低到量子力學的最低點時，物質即達到絕對零度，不能再低。因此達到絕對零度的狀態時，地球空間裡的粒子均停止運動，無法對外產生壓強；而在服從泡利不兼容原理的環境中，粒子仍具有動能，可對外界物體產生壓強）條件下，簡併態物質也同樣受到來自量子的壓強。簡併態物質主要有電子簡併態（electron-degenerate matter）和中子簡併態（neutron-degenerate matter）兩種類型。
電子簡併態主要存在於白矮星（譯註：white dwarf stars也稱簡併矮星，是一種由簡併態物質構成，具有低亮度、高密度、高溫度性質的小恆星。因呈現白色、體積小而被命名為白矮星）的核心位置，由於受到核心周圍物質的重力對核心電子的壓力而產生（審校註：電子簡併壓與白矮星強大的重力平衡，即由於白矮星自身的引力收縮而產生與之相對抗的電子簡併壓，從而維持白矮星的穩定），其表面重力試圖將核心所有的電子壓縮至最低能量狀態。然而根據泡利不兼容原理，任何兩個全同的電子不能處於同一量子態，因此處於最低能量狀態的電子會將其它電子「推」回核心周圍，從而產生向外的壓力（即高密度費米子氣體的最低能量狀態已被填滿，迫使其他電子進入高能態，產生巨大的簡併壓力）。不過這種壓力只有在恆星質量不超過太陽質量的1.44倍時才可以持續存在。當白矮星的質量超出這個極限（即錢德拉塞卡極限the Chandrasekhar limit）會直接坍縮成中子星（neutron star中子星超過奧本海默極限時才會形成黑洞）或者黑洞（black hole）。
白矮星坍縮成中子星後，電子簡併態不復存在，由中子簡併態取而代之。中子星巨大的表面重力使核心部位的電子和質子相互融合形成中子。一般游離中子（即不被原子核束縛的中子）的半衰期為10.3分鐘，而中子星的密度達到原子核密度，此時中子能夠穩定存在於在原子核外，於是中子星的核心位置形成了中子簡併態。
還有其他一些可能存在的外星簡併態物質，如存在於稀有星體夸克星（quark star）的奇異物質（譯註：strange matter也被稱為夸克物質，是一種未在地球上發現的理論物質，具有極大引力負壓的物質形態）。夸克星是介於中子星和黑洞之間的星體，核心部位有極高密度的夸克，當夸克之間非常接近時可以完全作為自由粒子活動，形成「夸克湯」（譯註：在超過1萬億攝氏度的溫度下，質子和中子也會「熔化」，變成夸克和膠子組成的等離子體，這種夸克-膠子等離子體就是「夸克湯」）。目前人類還未觀察到這類星體，但物理學家們正在不斷努力證明它們的存在。
讓我們回到地球來談論超流體（superfluid）。氦、銣或鋰元素中某種同位素被冷卻至接近絕對零度時就會出現這種物質狀態，類似於玻色-愛因斯坦凝聚態（Bose-Einstein condensate，簡寫BEC，不知道這是什麼？下一節告訴你！），但又有細微的差別。有些玻色-愛因斯坦凝聚態是超流體，而有些超流體卻是玻色-愛因斯坦凝聚態，二者間有交集但不完全相同。
最常見的超流體是液氦。當氦氣冷卻至「λ點」溫度2.17K（譯註：λ點即「lambda point」，液態氦-4的兩個液相：正常相氦Ⅰ和超流相氦Ⅱ，它們之間的轉變溫度稱為λ點，飽和蒸氣壓下的λ點為2.172K）時，部分液體就會變成超流體。大多數物質冷卻到一定溫度時，原子間的引力強度將超過自身的熱振動（審校註：所有的分子原子都是處于振動狀態。溫度是微觀粒子振動的宏觀表現，微觀粒子振動越劇烈，溫度越高。絕對零度便是微觀粒子停止振動的情況），變成固態。但氦原子之間的相互作用很弱，所以能在絕對零度下仍維持液體狀態，實際上這時液體中的原子會突然失去隨機運動的特性，而以有序的方式運動，從而創造出超流體的奇特屬性。
首先，超流體沒有內粘滯性。試管中的超流體會看似違反了萬有引力和表面張力的原則沿管壁向上「爬」，還易滲漏，因為它可以通過任何微小的孔洞「鑽出去」（超流體可以流過半徑為十的負五次方釐米的小孔或毛細管）。除此之外，超流體也表現出奇怪的熱力學性質，它們具有零熵值和無限大的熱傳導率，這意味著兩個超流體之間不會有溫差。如果傳熱給超流體，那麼它的傳熱速度會快到形成熱波，而普通液體是不具有這個屬性的。
玻色-愛因斯坦凝聚態以低調又難以理解而聞名。首先，我們必須要理解什麼是玻色子和費米子。費米子是具有半整數自旋的基本粒子（如電子）或複合粒子中的重子（如質子），並遵循讓電子簡併態成為現實的泡利不兼容原理。而玻色子（boson）則是擁有整數自旋的粒子，多個玻色子可佔據相同的量子態。玻色子包括所有能傳遞作用力的基本粒子（例如光子）和一些原子，如上文的超流體氦-4和其他一些氣體。這一類元素統稱為玻色子。
在二十世紀20年代，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）借鑑印度物理學家薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose）的成果提出一種新的物質形態。愛因斯坦最初的推論是，如果冷卻特定元素的氣體至接近絕對零度，那麼他們的原子波函數（審校註：對於多電子的原子，或者是多粒子的系統而言，其主要存在的空間是所有電子的可能結構，波函數則描述這些結構的機率）會聯合創建一個「超級原子」，這種物質會表現出宏觀量子效應。但直到二十世紀90年代，才有技術能冷卻這些元素到足夠低的溫度。1995年，研究員埃裡克·康奈爾（Eric Cornell）和卡爾·威曼（Carl Wieman）將兩千多個原子聚合成玻色-愛因斯坦凝聚態，達到了顯微鏡下可觀測的水平。
玻色-愛因斯坦凝聚態與超流體相類似，但也有其特有的性質。最令人震驚的是BEC居然可以減緩光速。1998年，哈佛研究員萊娜·孝（Lene Hau）用雷射照射一個雪茄形的BEC，成功使光速降到每小時60千米。在接下來的實驗中，孝的研究團隊在雷射射入樣品的同時關閉了雷射，光線呈現出完全靜止的狀態。這些實驗的成功開闢了光通迅和量子計算的全新領域。
姜-泰勒金屬（Jahn-Teller Metals）可以說是物質狀態大家庭裡的新生兒，2015年科學家們頭一次成功創造出這種金屬。如果該金屬能被其他實驗室認可，這將改變我們對整個世界的認知，因為姜-泰勒金屬既是超導體，又是絕緣體。
由化學家科斯馬斯·普拉薩斯（Kosmas Prassides）帶領的研究團隊將銣原子引入碳60（又稱巴基球）中，改變了碳原子之間的距離，迫使其形成了一種新的晶體結構。該金屬的名字來源於姜-泰勒效應（Jahn-Teller effect），該效應描述了壓力是如何改變分子幾何結構從而形成新的電子排布。從化學的角度上看，壓力不光可以通過壓縮物體來實現，還可以通過在原有結構的基礎上增加新的原子或分子，改變基本屬性來實現。
在進行碳60裡引入銣原子的實驗中，碳分子逐漸從絕緣體變成了超導體。根據姜-泰勒效應，分子趨於保持其原有的幾何結構，於是便形成了一種看似絕緣體卻擁有超導性的特殊物質。這種轉變在本實驗進行前從未出現過。
為何這項發現如此令人激動？因為該金屬能在高溫（「高」是相較於零下243.2攝氏度而言的零下135攝氏度）下成為超導體，使該金屬得以大規模生產和進行更多的實驗。如果以上說法被證實無誤，我們將有可能大規模生產導電過程中不會產生熱量、聲音和其他形式能量損失的超導性材料，這將徹底改變人類今後發電及導電的方式。
一直以來人們都認為光子是不會產生相互作用的無質量粒子，然而過去幾年裡麻省理工和哈佛大學的研究人員已經發現了使光看似有質量的方法，他們甚至創造了「光分子」（light molecules），這些分子會相互排斥也能粘合。如果你覺得這聽起來很無聊，不妨將這當作是製造光劍非常重要的第一步。
光分子背後的科學問題稍微有點複雜，但請堅持看下去（光劍，光劍，光劍，重要的事情說三遍）。起初研究人員利用超冷銣氣體做實驗創造光分子。當一個光子被射入銣氣體時，它發生了偏轉並與銣分子相互作用，此時光子損失能量，速度變慢。穿出氣體的光子速度顯著下降，但性質不變。
當他們射兩個光子進入銣氣體時，事情就變得怪異了，這引起了一個叫做「裡德伯封鎖」（Rydberg blockade）的現象。在這種狀態下，一個原子被激活時，臨近原子無法被激活到相同的程度，因為本質上這個激活後的原子阻止了光子前進。為了讓第二個光子把周圍的原子激活，第一個原子必須穿過氣體繼續前進。光子之間通常不會發生相互作用，但在「裡德伯封鎖」環境中這兩個光子會伴隨著能量轉換和對彼此的相互作用力全程推拉著直到穿過氣體。從觀察者的角度來看，這些光子似乎具有質量，而且能像分子一樣運動，即使它們依舊沒有質量。這些從氣體裡出來的光子，好像結合成了光分子，能夠發生偏轉和變形。
要想實際應用光分子，我們還有很長一段路要走，但哈佛大學物理學教授米哈伊爾·盧金（Mikhail Lukin）早就構思出一系列可能的用途，從製作計算機到三維晶體。當然，還有光劍！
科學家在鑑定一種物質是否為新的狀態時，除了屬性以外還要考慮它的結構。2003年，普林斯頓大學的薩爾瓦多·託爾（Salvatore Torquato ）和弗蘭克·斯蒂爾靈格（Frank H. Stillinger）提出了一種叫無序超齊構體（disordered hyperuniformity）的新物質形態。這名字聽起來很矛盾，實際上因為該物質近距離看上去雜亂無章，遠觀時卻井然有序。這樣的物質同時兼具晶體和液體的特性。人們起初以為這只會出現在純等離子體和液氫中，但近期研究人員在看似最不可能的地方：雞的眼睛中，發現了這樣的天然物質。
雞的眼睛中有五種視錐細胞，四個用來區分顏色，一個用來檢測光。然而不同於人眼或其他昆蟲的六角形眼睛，其視錐細胞的排序是隨機而無序的。因為雞眼中的視細胞大小、形狀各異，而且存在「禁區」（譯註：每個視細胞必須與其它所有視細胞保持一定距離，同時又要與同類的視細胞保持更大的距離），這使它們不能形成如同固體粒子般有序的晶體結構。事實證明，當把所有視錐細胞看成一個整體時，我們看到的是高度有序的圖形分布，就像文章所附的照片一樣。因此，當我們近距離觀察雞眼中的視錐細胞時它是液體，遠看時則可以把它看成固體。這不同於上文提到的非晶型固體，因為超齊構體擁有了非晶態固體所不具備的液體特性。
科學家仍在繼續研究這種很可能比我們原來想的更普遍的新物態。普林斯頓大學的學者們就正在鑽研，並希望能利用該物質製造出擁有自我排序結構的材料和能檢測特定波長的光探測器。
真空是什麼物態？大多數人應該都沒想過這個問題吧。但在過去的十年間，美國麻省理工學院的文小剛和哈佛大學的麥可·萊文（Michael Levin）則認為他們已經通過一種新物態——弦網液態（string-net liquid），發現了超越電子的基本粒子。
研發弦網液態模型之路始於90年代中期，一科學研究團隊在兩個半導體之間移動電子的實驗過程中發現了「準粒子」（quasiparticles）。這引起了物理界的轟動，因為準粒子好像帶有分數電荷（fractional charge），這在當時被認為是不可能的。該實驗小組整理數據後認為，電子可能根本不是宇宙中最基本的粒子，而且還有更多仍未發現的基本粒子。他們的勞動成果使其榮獲了諾貝爾物理學獎，後來卻發現這竟是實驗過程裡操作失誤才造成的結果。於是， 「準粒子」說便不復存在。
但是一些研究人員並未徹底放棄這種想法。文小剛和萊文繼續研究「準粒子」，並發現一種被稱為弦網的新型物質。量子糾纏（quantum entanglement）是這類物質狀態的基本屬性。與無序超齊構體一樣，如果你近距離觀看弦網，就會覺得它只是一組無序的電子。然而觀查弦網結構的整體時就會發現，因為受到電子的量子糾纏，該物質其實是高度有序的。文和萊文隨後還把研究工作拓展到其他粒子和糾纏特性方面。
這兩位科學家利用電腦創建出該新物態模型後，發現弦網的末端能夠產生他們想要的各式亞原子粒子（subatomic particle），其中還包括傳說中的「準粒子」。更令人震驚的是，他們發現弦網在震動時能夠支配光，這完全符合麥克斯韋方程組（Maxwell’s equations）的推算。文和萊文在他們的論文中提出：空間裡充滿了糾纏的亞原子粒子弦網，而我們所看到的亞原子粒子就是這些「弦」的末端。同時他們還認為其實是弦網液態物質造就了光。如果真空中也充滿了弦網液態物質，我們就能統一物質和光了。
這似乎令人很難以置信，但在1972年（弦網液態被提出的幾十年前）就曾有礦物學家在智利發現了一種被稱為「herbertsmithite」的奇怪礦物質。（譯註：herbertsmithite即液態自旋量子礦物晶體，以礦物學家赫伯特·史密斯的名字命名）這種礦物質的電子呈三角形排列，似乎與我們所知的電子間的相互作用相矛盾。然而我們通過弦網模型可以推算出這種呈現三角形的電子結構， 科學家們正在試圖動手製作該礦物晶體來證明模型的準確性。不過這種理論上的物態是否確切存在，目前仍無定論。
作為最後出場的低調物態，不如讓我們來看看所有物質的起點：夸克-膠子等離子態（quark-gluon plasma）。事實上，早期宇宙的形態與我們現在所見的完全不同，討論這點之前咱們先科普些背景知識。
夸克是我們在屬於強子（hadron）的粒子（如質子和中子）中發現的基本粒子。強子分兩類：重子（Baryon）由三個夸克組成（或者三個反夸克組成反重子）；介子（Meson）由一個夸克和一個反夸克組成。夸克有分數電荷，並且被膠子（一種負責傳遞強核力的粒子）捆綁在一起。
夸克無法獨立存在於自然界，但宇宙剛剛大爆炸的那一瞬，夸克和膠子獨自存在了一毫秒。就在這一毫秒中宇宙的溫度極高，以至於接近光速運動的夸克和膠子無法相互作用，所以這期間的宇宙完全由高溫夸克-膠子等離子態物質組成。馬上，宇宙就會降到夸克開始與膠子相互作用的溫度，使它們形成像強子這樣的複合粒子。在這之後，宇宙就如我們所知的，以強子和電子結合產生出最初的原子逐漸演變而來。
如今科學家們正嘗試在大型粒子加速器中重建夸克-膠子等離子態。他們在實驗中將類似強子的複合粒子互相撞擊，為了創造出能使夸克短時間分離的溫度。從這些早期實驗當中，我們已經了解到夸克-膠子等離子態的一些屬性，比如零摩擦以及比一般等離子體更接近液體。隨著研究人員對該外來物態的深入實驗，我們將對「宇宙是怎樣形成的，為什麼會這樣形成」有更多了解。
作者：Zachery Brasier 翻譯：@兔小米
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