物質除了氣態、固態、液態之外,還存在什麼形態

在我們的固有認知裡，物質只有三種形態，分別是固態、液態、氣態，但其實，物質到目前為止，一共存在六種形態，還有三種分別是等離子態、玻色—愛因斯坦凝聚態、費米子凝聚態。

等離子態

人們常年看到的閃電、流星、部分高溫火焰等，它們都是處於等離子態。1879年英國物理學家克魯克斯在研究陰極射線時，發現了具有獨特性質的等離子體，然而科學家真正給予它名稱，還是要到1928年，朗廖爾將它命名為「Plasma"。

舉一個簡單的粒子，水我們都知道它是液態，但是如果將水放在零下幾十度的低溫，它就成了固態，如果將水放在在幾百度的高溫，它就會變為水蒸氣。但是如果我們將水持續加熱到幾千度以上，水蒸氣中的原子就會丟掉了自身的電子，發生電離化現象，而這種電離化後的氣體所呈現的形態就是物質的第四態，即等離子態。

等離子態常被稱為「超氣態」，它和氣體有很多相似之處，比如：沒有確定形狀和體積，具有流動性。但是它也具有很多獨特的的性質。普通氣體由電中性的分子或原子組成，而等離子體則是帶電粒子和中性粒子的集合體。

等離子體和普通氣體在性質上更是存在本質的區別：

首先，等離子體是一種導電流體，但是又能在與氣體體積相比擬的宏觀尺度內維持電中性；

其次，氣體分子間不存在淨電磁力，而等離子體中的帶電粒子之間存在庫侖力；

再者，作為一個帶電粒子體系，等離子體的運動行為會受到電磁場的影響和支配。

因此，等離子體是完全不同於普通氣體的一種新的物質聚集態。

等離子體的存在還有其特徵的空間和時間限度：

如果電離氣體的空間尺度L不滿足等離子體存在的空間條件L>>D（德拜長度D為等離子體宏觀空間尺度的下限）的空間限制條件，或者電離氣體的存在的時間不滿足>>p（等離子體的振蕩周期p為等離子體存在的時間尺度的下限）時間限制條件，這樣的電離氣體都不能算作等離子體。

總結來說，等離子態是指物質原子內的電子在高溫下脫離原子核的吸引而形成帶負電的自由電子和帶正電的離子共存的狀態。由於此時物質正、負電荷總數仍然相等，因此叫做等離子態。而等離子態的物質則叫做等離子體。

需要說明的是，世界上在還存在低溫等離子體，低溫等離子體放電過程中雖然電子溫度很高，但重粒子溫度很低，整個體系呈現低溫狀態，所以稱為低溫等離子體，也叫非平衡態等離子體。

在地球上等離子態不常見，但它在宇宙中是一種常見的物質，因為等離子態通常存在於高溫之中，宇宙中大部分發光的星球內部溫度和壓力都很高，這些星球內部的物質差不多都處於等離子態。

比如說太陽就是一個氣態與等離子態混合的球體，在科學家眼中，太陽擁有雙重狀態，存在於大氣層周圍的事物屬氣態物質，而存在於太陽內部的事物多為等離子態。

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目前科學家也可以通過人工的方式產生等離子態物質，如霓虹燈放電、原子核聚變、紫外線和X射線照射氣體，都可以產生等離子體，並且在生活中被廣泛應用。

比如利用等離子弧進行切割、焊接、噴塗、利用等離子體製造各種新穎的光源和顯示器等。如果利用這種顯示器製造電視，那麼電視機可以像畫一樣掛在牆上。用等離子體技術處理高分子材料，包括塑料和紡織物，既能改變材料的表面性質，又能保留原材料的優異性能，而且無汙染。在軍事上可以利用等離子體來規避探測系統，用於飛機等武器裝備的隱形。

等離子弧焊接

玻色-愛因斯坦凝聚態

玻色–愛因斯坦凝聚態是玻色子原子在冷卻到接近絕對零度所呈現出的一種氣態的、超流性的物質狀態（物態）。

早在1920年，薩特延德拉·納特·玻色和阿爾伯特·愛因斯坦以玻色關於光子的統計力學研究為基礎，對這個狀態做了預言。

基本粒子如今可以分為組成物質的費米子以及傳遞力的玻色子。傳遞力的（規範)玻色子有四種:1傳遞電磁力的光子、2傳遞引力的引力子、3傳遞核強力的膠子、4傳遞弱力的玻色子。

玻色子可以分享同一量子態。愛因斯坦推測將玻色子冷卻到非常低的溫度且運動速度足夠慢時，它們將集聚到能量最低的同一量子態。此時，所有的原子就象一個原子一樣，具有完全相同的物理性質。導致一種全新的相態。

1938年，彼得·卡皮查、約翰·艾倫和冬·麥色納（Don Misener）發現氦-4在降溫到2.2 K時會成為一種叫做超流體的新的液體狀態。

超流的氦有許多非常不尋常的特徵，比如它的黏度為零，其漩渦是量子化的。很快人們就認識到超液體的原因是玻色-愛因斯坦凝聚。事實上，康奈爾和威曼發現的氣態的玻色-愛因斯坦凝聚呈現出許多超流體的特性。

但人們第一次捕獲到它是在1995年，麻省理工學院的沃夫岡·凱特利與科羅拉多大學鮑爾德分校的埃裡克·康奈爾和卡爾·威曼使用氣態的銣原子在170 nK（1.7×10−7K）的低溫下首次獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。在這種狀態下，幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態，形成一個宏觀的量子狀態。

左側：玻色-愛因斯坦凝聚出現前。

中間：玻色-愛因斯坦凝聚剛剛出現。

右側：幾乎所有剩餘的原子處於玻色-愛因斯坦凝聚狀態。

與一般人們遇到的其它相態相比，玻色-愛因斯坦凝聚非常不穩定。玻色-愛因斯坦凝聚與外界世界的極其微小的相互作用足以使它們加熱到超出臨界溫度，分解為單一原子的狀態。

玻色-愛因斯坦凝聚態具有很多有趣的特性，它們可以有異常高的光學密度差。凝聚的折射係數非常小。能使用雷射可以改變玻色-愛因斯坦凝聚的原子狀態，使它對一定的頻率的係數驟增。這樣光速在凝聚內的速度就會驟降，甚至降到數米每秒。所以會用玻色—愛因斯坦凝聚來降低光速。

2016年5月17日，來自澳大利亞新南威爾斯大學和澳大利亞國立大學的研究團隊首次使用人工智慧製造出了玻色-愛因斯坦凝聚。人工智慧在此項實驗中的作用是調節要求苛刻的溫度和防止原子逃逸的雷射束。

2018年，《Nature》雜誌發表了一項物理學重磅研究：科學家們在太空中首次創造了「物質的第五態」——玻色-愛因斯坦凝聚態（BEC），並成功刷新了宇宙中的最低溫度。

但是到目前為止，因為很難製造出玻色-愛因斯坦凝聚態物質，且很難讓它維持在一個穩定的狀態，所以科學家還沒有將它實際運用在生活中。

不過科學家認為利用玻色-愛因斯坦凝聚態可以將原本只能在原子層面觀測到的兩字現象放大到宏觀的尺度，從而讓我們能夠更加深入地去了解量子的規律。除此之外，玻色-愛因斯坦凝聚態還被認為是製作黑洞模型的最好材料，因為入射的光不會逃離。凝聚也可以用來「凍結」光，這樣被「凍結」的光在凝聚分解時又會被釋放出來。

上圖為一般液體碰到障礙的反應；下圖為液態光碰到障礙的反應

費米子凝聚態

既然玻色子可以構建物質的第五種形態，那麼作為組成物質的另外一種粒子費米子自然也能構建物質新的形態。

「費米子凝聚態」與「玻色一愛因斯坦凝聚態」一樣都是物質在量子狀態下的形態，2004年，美國標準技術研究院和美國科羅拉多大學的科學家組成的以德博拉·金為領導的聯合研究小組又再次宣布，發現了物質的第六種形態—費米子凝聚態。

德博拉·金

就像我們剛剛說的，基本粒子如今可以分為組成物質的費米子以及傳遞力的玻色子。

這兩類粒子特性的區別，在極低溫時表現得最為明顯：玻色子全部聚集在同一量子態上，費米子則與之相反，更像是「個人主義者」，各自佔據著不同的量子態。「玻色一愛因斯坦凝聚態」物質由玻色子構成，其行為像一個大超級原子，而「費米子凝聚態」物質採用的是費米子。當物質冷卻時，費米子逐漸佔據最低能態，但它們處在不同的能態上，這種狀態稱作「費米子凝聚態」。

不過，我們要知道，正如剛剛所說，由於泡利不相容原理，不同的費米子不能佔據同一量子態，因此費米子不能像玻色子那樣直接形成玻色-愛因斯坦凝聚態。

不過科學家把兩個費米子結合在一起成為具有玻色子性質的「費米子對」即庫柏對（電子結合在一起的狀態。一般來說，電子之間都有微小的引力，由此使得電子的能量低於費米能時，電子就會結合在一起），這樣使費米子對冷凝，成為費米凝聚。

在這個基礎上，德博拉·金領導的聯合研究小組，將具有費米子特徵的鉀原子氣體冷卻到絕對零度以上的十億分之一度，此時鉀原子停止運動。絕對零度相當於一273．15℃。試驗中，科學家用雷射方法遠遠達不到費米子凝聚所要求的溫度。為此，還要把原子放到「磁杯」中進行蒸發冷卻。他們將氣體約束在真空小室中，並採用磁場和雷射使鉀原子配對，成功地創造出「費米子凝聚態」。

費米子凝聚態所使用的原子比電子重得多，其次是原子對之間吸引力比超導體中電子對的吸引力強得多，在同等密度下，如果使超導體電子對的吸引力達到費米體中原子對的程度，製造出常溫下的超導體立即可以實現。

目前，對費米子凝聚態的研究還非常初級，另外，無論是玻色-愛因斯坦凝聚態還是費米子凝聚態，都是科學家在一定條件下獲得的，目前自然界還沒有發現這樣狀態的物質。

宇宙浩渺無窮，說不定還存在其他形態的物質等著我們去發現探索。科學就是這樣一步一步成長起來的。