如梦似幻的物质第六态

我们的地球虽然身为宇宙的一员，但在浩瀚的宇宙中却显得孤傲不群，像一座孤独飘零的岛屿。不要说它诞生了宇宙中极为罕见的智慧生命(而这样的生命在宇宙中其他地方却难以生存)，就是它上面的物质形态特别的与众不同。地球上司空见惯的物质三态——固态、液态、气态，在宇宙中却极为罕见，物质第四态——等离子态，是宇宙中极多的状态。更有意思的是，当我们让物质不断地冷下去、冷下去……不可思议的新物质形态又出现了。这种在地球上只能出现于条件严格的实验室中的物质形态，会在宇宙的某个角落随意飘荡吗?

从物质三态到第四万态

物质的三态之间的转换很早就被人类认识到了，它们是不同温度下的状态，由所谓的冰点和熔点决定各自产生转换的温度。100多年前，人类对物质状态的认识基本上仅只于此。虽然亚里土多德在2000多年就发现世界的组成除了这三态以外还包括火，但他也不清楚火究竟是一种什么物质?其实这就是，物质的第四种状态——等离子体的一种表现形式。

如果把气体持续加热几千甚至卜万度时，物质会呈现出一种什么样的状态呢?这时，气体原子的外层电子会摆脱原子核的束缚成为自由电子，失去外层电子的原子变成带电的离子，这个过程称为电离。所谓“电离”，其实就是电子离开原子核的意思。除了加热能使原子电离(热电离)外，还可通过电子吸收光子能量发生电离(光电离)，或者使带电粒子在电场中加速获得能量与气体原子碰撞发生能量交换，从而使气体电离(碰撞电离)，或者使带电粒子在电场中加速获得能量与气体原子碰撞发生能量交换，从而使气体电离(碰撞电离)。发生电离(无论是部分电离还是完全电离)的气体称之为等离子体(或等离子态)。等离子体的独特行为与固态、液态、气态截然不同，因此称之为物质第四态。

等离子体的存在机理是怎样的呢?物质是由分子或者原子组成的，而分子也是由原子组成。原子都由原子核和绕核高速运动的电子构成。原子核带正电，电子带负电，正、负是数量相等，整个原子对外不显电性。电子之所以绕核运动，因为它的能量不足以挣脱核的束缚力。如果不停地给物质加热，当温度升高到数十万度甚至更高，或者用较高电压的电激，电子就能获得足够逃逸的能量，从原子核上剥落下来，成为自由运动的电子。这就像一群下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。这时物质就成为由带正电的原子核和带负电的电子组成的一团匀浆，人们戏称它“离子浆”。这些离子浆中正负电荷总量相等，因此又叫等离子体。

超级大原子——物质第五态

如果物质不断冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去，比如说，接近绝对零度(-273．16℃)吧，在这样的极低温下，物质又会出现什么奇异的状态呢?

这时，奇迹出现了——所有的原子似乎都变成了同一个原子，再也分不出你我他了!这就是物质第五态——玻色一爱因斯坦凝聚态(以下简称“玻爱凝聚态”)。

实现玻爱凝聚态的条件极为苛刻和矛盾：一方面需要达到极低的温度，另一方面还需要原子体系处于气态。极低温下的物质保持气态呢？这实在令无数科学家头疼不已。在玻色一爱因斯坦凝聚理论提出71牛之后的1995年6月，才有两名美国利‘学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒分别在铷原子蒸气中第一次直接观测到了玻爱凝聚态。这三位科学家也因此而荣膺2001年度诺贝尔物理学奖。此后，这个领域经历着爆发性的发展，目前世界上已有近30个研究组在稀薄原子气中实现了玻爱凝聚态。

玻爱凝聚态有很多奇特的性质，请看以下几个方面：

这些原子组成的集体步调非常一致，因此内部没有任何阻力。激光就是光子的玻爱凝聚，在一束细小的激光里拥挤着非常多的颜色和方向一致的光子流。超导和超流也都是玻爱凝聚的结果。

玻爱凝聚态的凝聚效应可以形成一束沿一定方向传播的宏观电子对波，这种波带电，传播中形成一束宏观电流而无需电压，

原子凝聚体中的原子几乎不动，可以用来设计精确度更高的原子钟，以应用于太空航行和精确定位等。

玻爱凝聚态的原子物质表现了光子一样的特征正是利用这种特征，前年哈佛大学的两个研究小组用玻色一爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零，将光储存了起来。

玻爱凝聚态的研究也可以延伸到其他领域，例如，利用利用磁场调控原子之间的相互作用，可以在物质第五态中产生类似于超新星爆发的形象，甚至还可以用玻色一爱因斯坦凝聚体来模拟黑洞。

随着对玻受凝聚态研究的深入，又一次彻底的技术革命的号角已经吹响。

突破第五态，创造第六态

物质形态到些结束了吗？还没有。

在过去身居年内，玻爱凝聚态只能由一类原子形成的，什么是费米子？会么是玻色子？我们需要先走入由基本粒子组成的原子世界。

很早以前，人们就知道原于是由电子和原子核组成，而原子核又由质子和中子组成。20世纪初，物理学家们发现了正电子和光子，开始探寻更小的粒子，发现原子核还可以分成更小的“小不点儿”：中微子、介子、超子、变子等等，物理学家把它们统称为“基本粒子”。科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类。费米子是像电子一样的粒子，有半整数自旋(如1／2，3／2，5／2等)；而玻色于是像光子一样的粒子，有整数自旋(如0，1，2等)。这种自旋差异使费米子和玻色子是完全不同的特性。没有任何两个费米子能有同样的量子态：它们没有相同的特性，也不能在同一时间处于同一地点；而玻色子却能够具有相同的特性。

基本粒子中所有的物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料(如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子)；而传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、w和Z玻色于)都是玻色于。

玻色子在我们的宇宙中占了一半的份额，剩下一半是由费米子组成的物质世界。玻爱凝聚态只能由玻色子来形成实在是太遗憾了。那么费米子能不能形成玻爱凝聚态呢?

当前世界，粒子与凝聚态物理学领域的顶尖物理学家梦寐以求的这种物质状态就是所谓的“费米子”凝聚态，费米子凝聚态，从语意分析来说，费米子的物理含义是不能被聚集在一个量子基态的粒子，而凝聚态则表示粒子沉积在一个能量级别上。这个名词本身是一对矛盾，但奇妙的就是现实与理论的矛盾冲突被天才的技巧平复了。

解决这个矛盾首先来自超导现象的启发。巴丁、库珀和施里弗(他们共同荣获1972诺贝尔物理学奖)提出一个对金属的超导进行解释的理论——BCS理论，其基本思想是，在极低温下的金属中的电子费米子，会彼此结合成对，这种电子对称为库柏对。结合成库柏对的电子费米子表现出玻色子的特征，这样，物理学家就找到了一个制造“费米子凝聚态”的方法。他们将费米子成对转变成玻色子，两个半整数自旋组成一个整数自旋，费米子对就起到了玻色于的作用，所有气体突然冷凝至玻爱凝聚态。

既然电子可以这样行事，为什么原子不可以呢?如何将这些信奉“终身独立”的费米子劝说组成库柏对，进而形成凝聚态呢?他们采用了个魔术般的磁场，50纳开氏温度(与绝对温度只差0．00000005K)下当磁场达到某一个特定的频率时，超冷的费米子气体开始发生核磁共振，好像在一场交谊舞中慢慢地寻找各自的舞伴。此时磁场快速撤离，外围尚未成对的费米子囚失去束缚迅速散开，携带走热量导致中心部位进一步冷凝。一个奇妙的现象终于发生了：穿过费米气体中心的探测光波像打到一个晶体上一样发生了衍射，而气体是不会对光波产生衍射的。德博拉·吉恩相信：一种神奇的固体物质一定已经诞生了。后来的原子阵列显微观测发现，冷凝体中约50万个钾原子费米子确实形成了一对对的库柏对。

费米子疑聚态与超导中的电子费米子冷凝体不一样的是，前者是实实在在的原子冷凝，后者是没有质量的虚空的电子冷凝；前者是一个可见的原子超流体，后者则是金属中的电子超流体。科学家们把这样的物质状态又叫做超导体与玻爱冷凝体中的中间状态。

费米子凝聚态与超导体有哪些不同呢?首先，费米冷凝体所使用的原子比电子重得多，其次是原子对之间吸引力比超导体中电子对的吸引力强得多，在同等密度下，如果使超导体中电子对的吸引力达到费米体中原子对的程度，制造出常温下的超导体立即可以实现。超冷气体中形成费米体为研究超导的机理提供了一个崭新的物质工具，因此，这项成果有助于下一代全新超导体的诞生。而下一代超导体技术可在电能输送、超导磁悬浮列车、超导计算机、地球物理勘探、生物磁学、高能物理研究等众多领域和学科中大显身手。

当然，现在的技术并不能使所有费米子都可以发生费米冷凝，而且所获得的冷凝体还相当脆弱——比玻璃还要脆!但这只是技术问题。

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