我們知道物質有固氣液三種狀態,但實際遠超你的想像!

昨天看到一個新聞：

中國科學院合肥物質科學研究院在在極端高溫高壓條件下成功獲得了氫和氘的金屬態。金屬氫被稱為「高壓物理的聖杯」，近一個世紀以來，高壓學者經過不懈努力，一直未實現靜態高壓下金屬氫的相變，如今被中科院合肥團隊在高達約400 GPa極限靜態壓力取得重要突破。

金屬氫是一種內含巨大能量的物質，如果能製備出來，可以用於製造不受核約束的但破壞力與核彈相差無幾的武器，用於火箭燃料可以大大減輕火箭重量，是當今超級大國之間暗中角力的焦點之一。

205Gpa液態氫，415Gpa不透明固態氫，495Gpa變成金屬

不過，我不想深入介紹金屬氫，突發奇想想了解一下物質的狀態。

百度了一下，竟然發現百度百科中介紹的知識具有很大的誤導性。

中學物理就已經教過，物質一般分為三種狀態：固狀、液態、氣態。還有人可能了解有液晶態和等離子狀態等，但是到底有多少種物質狀態呢？

百度百科中介紹了7種狀態氣態、液態、固態、等離子態、超臨界態、超固態、中子態。但是百度百科中分類介紹得不清楚，容易讓人產生誤會。

物質狀態早期在科學界中是以它的體積性質來分類的。比如在固態時，物質擁有固定的形狀和體積；而在液態時，物質維持固定的體積但形狀會隨容器的形狀而改變；氣態時，物質不但形態會隨容器改變，體積也會隨容器而改變。

科學家總結為「相」（英語：Phase）的變化產生了不同的狀態，物質的狀態用相的轉變來表達，這種相的轉變可以是結構上的轉變，也可以是出現一些獨特的性質。這樣，每一種相都可以從一種相轉變分離出來。比如，我們上面所說的氫，當它在低溫高壓狀態時，可以轉變為固體的氫（晶體），但是當它處於超高壓的極端狀態時，表現出了金屬的性狀，與晶態氫的性態完全不同，因此可以說它是一種新相，也即一種新的物質狀態。水在結晶的情況下有15種晶體結構，也可認為冰具有15種不同的相，但是我們還是會將它們歸類為固態。

冰的15種晶體結構（秦大河,2014）

近期以來，科學家還有另一種分類的方法：以粒子（分子）之間的相互關係來劃分物質的狀態。

而在液體的時候，分子之間距離仍然比較近，分子之間仍有一定的吸引力，因此只能在有限的範圍中活動。至於在氣態，分子之間的距離較遠，因此分子之間的吸引力並不顯著，所以分子可以隨意活動。等離子態，是在高溫之下出現的高度離化氣體。而由於相互之間的吸力是離子力，因而出現與氣體不同的性質，所以等離子態被認為是第四種物質狀態。假如有一種物質狀態不是由分子組成而是由不同力所組成，我們會考慮成一種新的物質狀態。例如：費米凝聚和夸克-膠子漿。

目前物質狀態可以分成以下16種：

固態是組成物質的粒子（包括離子、原子、分子）緊密排列，之間有很強的引力，粒子只能在原位震動，因而固體具有固定的形狀和體積。通俗說固體指的是晶體，是以三維空間結構排列的，而且同一種物質在不同條件是可以排列成不同晶體結構的。比如鐵在912°C時是面心立方體，而在912~1394°C之間則是體心立方體。

當固體加熱到其熔點之上時，物質會成變液體。液體內部粒子之間的力雖然不可忽視，但是粒子可以相對運動，因而物質的結構是不確定的，而由容器來決定。一般來說液體的密度要小於固體，但是水在0~4°C時是個特例，也因這一個案，人類才能夠得以生存在地球上。

理想氣體分子之間的作用力為0，不過實際上還是存在的，但氣體分子擁有足夠的能力，它的目標是佔滿整個容器。當一種氣體的溫度和壓力分別超越自身的臨界壓力及臨界溫度時會成為超臨界液體，這種狀態下，它有氣體的特性，又是一種高密度的溶劑，在工業中應用很多。比如我們用超臨界二氧化碳的超流體性質去提取咖啡中的咖啡因。

液晶擁有液體的流動性和固體有序排列的特徵，在這種狀態下分子擁有液體的流動性，但它們（在一定範圍內）只可以指向同一個方向，而且不能夠自由扭動。液晶電視我們大家都很熟悉，不用過多介紹。

無定形體大家可能比較陌生，但是，我們日常所用玻璃就是這種形態，包括塑料、合成橡膠等高分子化合物，它們都是無定形體，因而也會被叫做玻璃態。這種狀態也擁有像液體一樣的不規則結構，但由於分子間的運動相對不自由，往往也會被納入固體的類別。還有一種無定形態有很多人可能聽過，它呈現出部分液體的形態，一般叫體非牛頓流體，它的黏度大小受作用力和剪應力所影響。據說將嚼軟的口香糖做成錐形，可以砸開椰子，不過這種實驗我沒有做過，網上有這樣的視頻。

磁序狀態：在過渡金屬（下面元素周期表中間紅色部分的那些元素）的原子，因為有電子單獨存在於原子軌道而且沒有組成鍵，所以在淨自旋不是0的情況下擁有淨磁矩。有一部分固體，不同原子的磁矩都是有規則地排列，因此可以製造成亞鐵磁體、磁鐵和反鐵磁體。

超導現象是在1911年發現的，超導體是擁有零電阻的物質，有完美的導電性。當它處在外加磁場中，會對磁場產生微弱排斥力，這種現象稱為邁斯納效應或者完美的抗磁性。

當接近絕對零度時，部分液體會轉變成另一種的液體狀態名為超流體，它的特點是黏度值為0（有無限的流動性）。科學家在1937年發現，將氦冷卻到低於lambda溫度（2.17K）便形成超流體。此時，氦氣可以在容器中不斷流動，並可對抗地心吸力。下圖右半部分（它有內外大小兩個容器），超流體為了找尋自己的定位會在小容器壁上緩慢地流動，在短時間之後，兩個容器的水平將會是一致的。而大容器的內壁將會被Rollin膜所覆蓋（看圖中大容器內表面的藍色部分），如果容器不是密封的，液體便會從上面流出來。

玻色-愛因斯坦凝聚態由愛因斯坦和納特·玻色在1924年預測出來，亦被稱為第五種物質狀態。多年來，玻色-愛因斯坦凝聚態在氣體狀態下都是一個理論上的預測而已。最後1995年，由沃爾夫岡·克特勒、埃裡克·康奈爾及卡爾·威曼所領導的團隊，在實驗室中製造了出玻色-愛因斯坦凝聚態。這種狀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，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。這種狀態的物質有很多有趣的性質，比如可以有異常高的光學密度差，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光的折射係數驟增，這樣光速在凝聚體內的速度就會驟降，甚至降到數米每秒。自轉的玻色-愛因斯坦凝聚體可以作為黑洞的模型，入射的光不會逃離。凝聚體也可以用來「凍結」光，這樣被「凍結」的光在凝聚分解時又會被釋放出來。

裡德伯態屬於強力的非理想等離子的一種介穩定狀態，當電子處於很高的激發態後冷凝而形成，到達某個溫度時，這些原子會變成離子和電子。在2009年4月的科學雜誌《自然》中報導，斯圖加特大學的研究員成功由一粒裡德伯原子和一粒基態原子中創造出裡德伯分子（實驗中利用極冷的銣原子），並由此證實了科羅拉多大學- 博爾德校區的物理學家克裡斯格林（Chris Greene）的假設，他認為這一種物質狀態是真正存在的。

當溫度達到數千度攝氏時便會形成等離子（離化氣體），當加熱氣體時，電子會因為擁有足夠的動能而成功擺脫原子核引力，成為自由電子，不受原子或分子的束縛。等離子體是宇宙中最常見的物質狀態。等離子可以考慮為被高度離化的粒子，但因為粒子之間有很強的離子間引力而擁有截然不同的特性。因此被認為是一不同的相或者物質形態。

夸克-膠子漿：由歐洲核子研究組織（簡稱CERN）在2000年發現。因為質子和中子都是由夸克構成，而夸克能通過這種物質狀態而釋放出來，並能獨立觀察。科學家可以在這種物質狀態下觀察夸克的特性，這是從理論到實踐的一大飛躍。

我們在網上看到中子態，是屬於簡併態物質的一類，這是在極高壓的環境下，常溫物質會轉變成一連串奇怪的物質狀態。天體物理學家相信在恆星中，當核聚變的"燃料"用盡時會出現這種情況，例如白矮星和中子星。

超固體可以在指定的空間下有秩序排列（即是固體或者晶體），但卻擁有例如超流體等多種非固體特性，因而被納入新的物質狀態。它的性質和超流體有點像，但它同時具有固體和流體的特性。上面所說的金屬氫，也會表現出超固態的性質。網上有人將超固態和玻色-愛因斯坦凝聚態混為一談，這是有誤解的。

弦狀網液態在正常的固體狀態下，物質中的原子應以網狀排列，因此對於任何一粒電子，它相鄰的電子的自旋方向應與它自身相反。但在弦狀網液態下，原子會以某種形式排列從而使到部分相鄰電子的自旋方向與它的方向相同，因而出現一些獨特的性質。有趣的是，這些特質對解釋在基礎情況下的宇宙中一些奇異現象有幫助。

超玻璃同時擁有超流體和冷凍晶體結構的特性，是一種新研發的物質狀態。

因為沒有太多時間去研究這些內容，後面物質狀態簡單的將介紹抄了過來，讓大家可以了解到，物質狀態很可能不會局限在這16種，隨著科學的深入發展，必定會出現更多的新物質狀態，而新物質狀態也必定會帶來新材料的發展。希望朋友們不要被網文所誤導，基礎研究還要進一步跟緊國外。