10種物質狀態，你就只知道固態，液態和氣體？

大多數人可以輕易地說出三種經典的物質狀態——液體，固體和氣體。上過一些科學課程的人們會知道應該將等離子體添加該行列。但是，多年來，科學家們已經將基本物態擴大到遠遠超出我們熟知的四大物態之外。在這個過程中，我們對大爆炸、光劍，甚至是普通的雞都有了新的認識。

10 非晶態固體

非晶態固體是一種十分有趣且著名的固體群。在一般的固體中，分子高度有序排列，不能非常自由地移動，這使固體物質具有高粘度、流動阻力的性質。另一方面，液體具有雜亂無章的分子結構，它們能夠相互流通、四處飛濺，並呈現出容器的形狀。非晶固體則介於這兩種物質的狀態之間。這一過程稱為玻璃化過程，將液體冷卻，其粘度增加，使得其不再像液體一樣流動，但分子仍然無序，不像普通固體那樣形成結晶結構。

最常見的一種非晶固體是玻璃。幾千年來，人們一直在使用石英玻璃。玻璃製造商將液態二氧化矽冷卻，使其溫度低於熔點，隨著溫度降低，粘度增加。然而，玻璃分子仍然保持其組織結構。如此一來，玻璃就成為非晶固體。這個中間過程使得工匠創造出美麗、超現實的玻璃雕塑。

那麼，非晶固體和正常固體的區別在哪裡呢?在日常生活中，它們之間並沒有多少區別。看起來，玻璃似乎十分穩固，但是當你觀測到分子水平上時，玻璃就像神話一樣在很長一段時間內像液體一樣流動。在古老神秘的玻璃教堂中，閒來無事的你會被這一奇景而讚嘆。玻璃通常看起來越往底部越厚，但實際上，這是由於製造過程中玻璃的缺陷導致玻璃的不均勻性，因此自然放置時底部變厚。儘管玻璃可能不是非常激動人心的物質，但研究非晶態固體（如玻璃）則會給研究人員帶來分子結構轉換的新知。

9 超臨界流體

我們都知道，大多數的物態轉變都發生在一定的溫度和壓力條件下。升高溫度使得液體變成氣體。然而，當壓力隨著溫度而增加，液體則成為超臨界流體，一種介於氣體和液體之間的物態。

例如，超臨界流體可以像氣體一樣穿過固體，但也可以作為液體溶劑。有趣的是，通過溫度和壓力的組合，超臨界流體可以進行性能調整。這使得科學家們想出了超臨界流體的各種應用，從平凡到極致。

雖然超臨界流並不像非晶態固體那麼常見，但你可能最終仍像與玻璃接觸一樣，與它們經常接觸。一些釀酒企業已經將超臨界二氧化碳作為啤酒花萃取溶劑，而咖啡公司則用它來產生更好的無咖啡因的咖啡。超臨界液體也用於創造更有效的水解環境，使得電廠在更高的溫度下運行。雖然沒人聽說過這種物質狀態，但是你可能每天都在使用超臨界流體的副產品。

8 簡併物質

非晶態固體至少存在於地球上，而簡併物質僅存在於某些類型的恆星上。根據複雜的量子原則（如泡利不相容原理），簡併物質存在於外在壓力不受溫度控制時。正因如此，簡併物質的外在壓力將持續下去，即使物質的溫度降到絕對零度。兩個主要類型的簡併物質包括電子簡併態物質和中子簡併態物質。

電子簡併物質主要存在於白矮星。這種物態形成於恆星的核心，核心中物質的質量將核心的電子能量壓縮至最低的狀態。根據泡利不相容原理，任何兩個這樣的粒子可以佔用相同的能量狀態。因此，粒子會「推開」核心周圍的物質，創建一種依據量子法則的外在壓力，所有的電子核心不能以能量最低的狀態存在。這隻有在恆星的質量小於太陽質量的1.44倍的情況下才能夠成立。當一顆恆星超過這個限制(稱為錢德拉塞卡極限)，它就會坍塌成中子星或黑洞。

當一個恆星坍塌成為中子星，就不再有電子簡併物態，而是中子簡併物態。這是由於中子星太重，它使電子與質子在核心融合，產生中子。自由的中子(中子沒有束縛在原子核)通常有一個10.3分鐘的半衰期。但在中子星的核心，恆星質量是允許中子在核外的存在，這就是中子簡併物態。

其實還可能存在其他形式的簡併物質，包括可能存在於一種罕見的星系——夸克星。夸克星介於中子星和黑洞之間，夸克的核心解耦，並創建出一個自由的夸克馬力。目前為止，我們還沒有發現這樣的星球，但物理學家會繼續預測它們的存在。

7 超流體

現在，讓我們返回地球來討論一下超流體。超流體是當氦、銣、鋰同位素冷卻到絕對零度時存在的一種物態。這種物態類似於玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)，但與其也有輕微的差異。一些「玻色-愛因斯坦凝聚態」冷凝物是超流體，一些超流體也是「玻色-愛因斯坦凝聚態」冷凝物，但並不是所有的物質都同時屬於兩態。

最常見的超流體是液體氦。當氦冷卻到2.17 K時，一部分液體成為超流體。大多數物質在冷卻到一定程度上的條件下，原子之間的吸引力將克服物質的熱振動，使物質形成固體結構。但氦原子之間的相互作用弱，它可以將液態保持到絕對零度。在這個溫度下，單個原子的重疊使超流體具有了奇特的性質。

首先，超流體內部沒有粘度。超流體放在試管上會沿著試管的側壁開始緩慢上升，這看似違反重力和表面張力法則。因為它可以通過任何微觀孔，所以液態氦很容易洩露。超流體同時存在著奇特的熱力學性質，具有零熱力學熵值，可以無限導熱，這意味著兩個超流體之間沒有熱差。如果將熱傳遞給超流體，超流體將迅速以熱波的形式進行傳遞，這是在正常的液體狀態下無法看到的。

6 玻色-愛因斯坦凝聚態

「玻色-愛因斯坦凝聚態」冷凝物是最著名的模糊態之一，也是最難理解的物態之一。首先，我們必須知道什麼是玻色子和費米子。費密子是半整數自旋粒子(如電子)或者複合粒子(如質子)。這些粒子遵守泡利不相容原理，具有電子簡併態。但是，玻色子是完整的整數自旋粒子，多個玻色子可以佔據相同的量子態。玻色子包括所有的驅力粒子(如光子)以及一些原子（如我們氦- 4和其他氣體），這類元素被稱為玻波色子原子。

在20世紀20年代，阿爾伯特·愛因斯坦在印度物理學家SatyendraNath Bose的工作基礎上提出一種新的物態。愛因斯坦的初始理論是如果將某些氣體元素冷卻到絕對零度之上的一小部分溫度時，其波函數將合併，並形成一種「超原子「。這種物質會在宏觀層面顯示量子效應。但是直到20世紀90年代，技術的進步才使得元素冷卻到所需的溫度得以實現。1995年，Eric Cornell和CarlWieman將2000個原子結合為一個玻色-愛因斯坦凝聚態，該玻色-愛因斯坦凝聚態在顯微鏡下觀測可見。

「玻色-愛因斯坦凝聚態」冷凝物與超流體密切相關，也具有自己的獨特的屬性。最令人震驚的是，BEC將光正常速度降低為300000米/秒。1998年，哈佛大學研究員LeneHau將光延緩到降低60公裡每小時(37英裡/小時)，從而利用雷射拍攝了像雪茄形狀的BEC樣品。在後續的實驗中，Hau的團隊實現了在關掉雷射的情況下完全停止BEC的運動的技術，為光學通信和量子計算領域開闢了新天地。

5 姜泰勒金屬

姜泰勒金屬物態是最新的塊態物質，研究人員在2015年首次成功地創建了這種物態。如果被其他實驗室所證實，這將會改變我們所認識的世界，因為姜泰勒金屬同時具有絕緣體和超導體的特性。

化學家Kosmas Prassides嘗試將銣插入碳-60分子(俗稱足球烯)結構中，使得碳-60分子形成一種新的形狀。由於姜泰勒效應是描述壓力可以改變分子的幾何形狀，使分子具有新的電子構型，所以該金屬稱為姜泰勒金屬。利用化學手段或者壓力，也可以將新的原子或分子添加到先前的結構中，從而改變原結構的基本性質。

當Prassides的研究團隊將銣插入碳-60分子結構中時，碳分子的性質發生改變，從絕緣體變為超導體。由於姜泰勒效應，分子試圖保留原來的結構，因此創造了一種類似絕緣體的新物質，但其電氣性能屬於超導體。在此之間，人們認為絕緣體和超導體之間沒有過渡態。

令人激動的是，姜泰勒金屬為高溫超導體(-135攝氏度，而不是-243.2攝氏度)。這使得它們更容易實現批量生產和實驗管理。如果這種說法是正確的，人們將會大規模生產超導材料，該材料在導電時沒有熱阻、熱量損失、聲音損失或其他能量損失，這將為能源生產和運輸帶來革命性的命運。

4 光子物質

幾十年來，光子傳統認識是無質量的粒子，相互將無作用力。然而，在過去的幾年中，麻省理工學院和哈佛大學的研究人員使用新的方法，使光子具有質量，甚至創造出了光子之間相互連接的「光分子「結構。這聽起來似乎很無聊，但是一旦我們實現來這種技術，就可以製備出一柄光劍。

光子物質背後的科學知識略顯複雜，但是請記住光劍。研究人員一開始利用過冷銣氣體製備光子態。當一個光子通過氣體時，發生偏轉並與銣分子相互作用，從而失去能量，並開始減速。最終，光子出現在氣雲中，速度放緩，有了明確的相互作用。

當你拍攝兩個光子通過氣體，會發現一種奇特的現象，這種現象稱為裡德伯封鎖。當一個原子被光子激活，而附近的原子沒有被激活到相同的程度時，從本質上講，受激原子得到了光子。為了讓周圍的原子被第二個光子激活，第一個光子必須前進以通過氣體。光子通常不會相互作用，但當它們面對裡德伯封鎖時，會發生相互作用，互相推動以通過氣體。從外部角度來看，這些光子分子仍然是無質量的，但當光子氣體出現，光與氣連在一起，光就變得可偏轉、可成形了。

光子態物質離實際應用還有很長的距離，研究員MikhailLukin已經為光子態物質描繪了一個涉及計算、創建三維晶體（光劍）的整體的應用前景。

3 無序超均勻態

當人們來判斷一種物質是否屬於一種新的物質狀態時，通常考慮其物質結構及其特性。2003年，普林斯頓大學的Salvatore Torquato和Frank H. Stillinger發現了一種新的物態——無序超均勻態。這似乎是相互矛盾的，但種構想來源於當物質無序但近距離接觸時，會出現大範圍的超均勻和結構化。這種物態具有晶體和液體的屬性。起初，這種物態只存在於簡單的等離子體和液態氫中，但最近研究人員發現，在最不可能存在的一隻雞的眼睛的中也存在這種物態。

雞的眼睛為五錐，其中四個探測顏色，還有一個探測光程度。然而，人或昆蟲的眼睛為六角形，這些錐隨機分散呈無序態。由於雞的眼睛周圍存在一個禁區，兩個相同類型的錐無法存在於對立方位。因為隔離區和錐的形狀的限制，它們無法形成有序晶體結構(如我們發現的固體)，但當所有的錐形視細胞被視為一個整體時，它們實際上呈高度有序排列。因此，錐形的雞眼睛在近距離接觸時呈液體，在遠距離觀測時呈固體，這與上面提到的非晶態固體不同。因為超均勻態材料可以出現液體性質，但非晶態固體沒有。

科學家們仍在研究這種新物態，實際上這種物態可能比最初想像的更為常見。現在，普林斯頓大學的研究人員正在利用超均勻材料製備自排列結構和面向特定波長的光探測器。

2 String-Net液體

空間的真空物質狀態是什麼?大多數人還沒有找到這個問題的答案。但在麻省理工學院的Xiao-Gang Wen和哈佛大學的Michael Levin近十幾年的研究中，發現了一種新的物質狀態，這可能是發現除電子以外其他基本粒子的關鍵。

關於string-net液體的研究是從90年代中期開始的，當時一個科學家團隊提出了所謂的「準粒子」，在一個實驗中的兩個半導體電子之間的傳遞。這引起了不小的震動，因為準粒子意味著分數電荷的存在，這在物理學上被認為是不可能的。該團隊利用這些數據提出，電子不是宇宙的基本粒子，宇宙中還存在更多的未探測的基本粒子。他們的工作贏得了諾貝爾獎，但後來發現，該結果基於一個錯誤的實驗，因此「準粒子」的想法消失了。

但是一些研究人員並沒有完全放棄它。Xiao-GangWen和Michael Levin對「準粒子」進行了研究，提出了一種新的物質狀態，稱為string-net態。這種狀態的物質將量子糾纏作為其基本屬性。與無序超均勻態一樣，如果你近距離的觀測string-net，它似乎呈現一組無序的電子。然而，由於電子的量子糾纏特性，從整個結構看，這種結構是高度有序的。Xiao-Gang Wen和Michael Levin還繼續對其他粒子和量子糾纏特性進行研究。

當計算機模型這種新物態運行時，Xiao-GangWen和Michael Levin發現，string-net末尾可以產生各種亞原子粒子，包括傳說中的「準粒子」。更令人震驚的是，他們發現，當string-nets振動時，符合麥克斯韋方程，它們可以控制光。在論文中，Xiao-Gang Wen和Michael Levin提出了充滿string-nets糾纏亞原子粒子的空間，這些「弦」的結束使我們看到了亞原子粒子。他們還提出，string-net液體是光存在的原因。如果真空的空間充滿了string-net液體，它會將一物質與光統一化。

這看起來很牽強，但在1972年(string-net研究的前幾十年)，地質學家在智利發現了一種奇怪的礦物——herbertsmithite。在這種礦物中，電子呈三角形結構，這似乎與我們所知道的關於電子相互作用矛盾。這種三角形結構被string-net模型預測出來，研究人員還曾利用人工herbertsmithite試圖證明該模型準確性。不幸的是，陪審團仍對是否存在這一理論物態存在爭議。

1 夸克-膠子等離子體

我們最後一種模糊的物態被稱為為夸克-膠子等離子體。事實上，早期的宇宙應當是一種與我們的經典物理完全不同的物質狀態。但是，首先讓我們補充下知識背景。

夸克是強子(如質子和中子)內部的基本粒子。強子由三個夸克組成，也可以由一個夸克和一個反夸克組成。夸克有部分電子，並且由膠子結合在一起，這是強核力的交換粒子。

我們在自然界中沒有看到自由夸克，但在大爆炸後，自由的夸克和膠子存在了一毫秒的時間。在這段時間裡，宇宙的溫度高到夸克和膠子幾乎以接近光的速度互相移動。在這個時期，宇宙完全由高溫夸克-膠子等離子體組成。在幾分之一秒後，宇宙冷卻下來，足以形成強子等形式的重粒子，夸克與膠子之間開始相互作用。從這一點上，我們所知道的宇宙開始形成，帶電子的強子成鍵形成了原始原子。

處於當前階段的宇宙，科學家們試圖利用現在的大型粒子加速器來製備出夸克-膠子等離子體。在這些實驗中，重粒子強等互相撞擊，在短暫的時間內創建出夸克存在的溫度。從這些早期的實驗中，我們了解了夸克-膠子等離子體的一些性質，如完全摩擦，比我們正常理解的等離子體更接近液體。研究人員會繼續研究這種奇特的物質狀態，我們也會更了解宇宙形成的方式。