稀有而极端的第六种物质状态

物质一共有几种状态?

你可能从很早之前就知道三种最常见的状态——固体、液体和气体。在地球表面,这三态随处可见,岩石是固体,水是液体,而我们呼吸的空气是气体。三种状态在温度和压力的作用下可以相互转换。

但这显然不是故事的全貌。如果我们进入亚原子的世界,也就是在比原子更小的尺度上,更加精彩的故事刚刚展开。

原子实际上是由原子核以及核外的电子组成。如果用足够的能量轰击原子,把它的电子踢开,就能创造出电离等离子体,这是物质的第四种状态。(详见《神秘而强大的第四种物质状态》。)

但是,除了最常见的三态,以及这种高能的电离等离子体之外,当物质处于极低温的状态下,比如接近绝对零度的时候,两类粒子——玻色子与费米子也能以各自独特的方式凝聚,从而创造出第五种和第六种物质状态,它们分别被称为玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)和费米凝聚

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 在极低温的状态下,凝聚会出现,它们具有独特的性质。| 图片设计:雯雯;素材参考:Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

要了解物质的第五和第六种状态,我们可以先回忆一下粒子世界

上个世纪,物理学家发现了原子核中的秘密。原子核其实还可以进一步被“拆分”成质子与中子,它们分别又由三个夸克组成。负责传递强核力的胶子就像胶水一样,将三个夸克紧密地“粘”在一起。

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 质子(左)和中子(右)分别由三个夸克构成,u代表上夸克,d代表下夸克。负责传递强核力的胶子会将夸克牢牢地”粘“在一起。

夸克和电子都属于标准模型中的基本粒子,也就是不可再分割的粒子。一个关键的点在于,标准模型中的每一种基本粒子,甚至宇宙中的每个复合粒子,要么是费米子,要么是玻色子

当我们测量费米子的自旋(内禀角动量)时,总会得到以普朗克常数除以2π为单位的半整数值,比如1/2、3/2、5/2等等。相反,玻色子的自旋总是整数值,也就是0、1、2……

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费米子与玻色子还有一个重要的区别是,费米子遵循泡利不相容原理,也就是说,在费米子组成的系统中,两个或两个以上的费米子不能占据相同的量子态。但是,玻色子则没有这样的限制。因此,玻色子可以坍塌到相同的量子基态。这个过程就被称为BEC,它被认为是超导的核心

1995年,物理学家最早利用磁场,在铷原子蒸汽中得到了BEC。近日,在国际空间站,研究人员首次在失重条件下创造出了BEC。(详见《首次在太空中,创造出第五种物质状态》。)

那么,如何才能达到第六种物质状态?

事实上,费米凝聚的故事可以追溯到20世纪50年代,诺贝尔物理学奖得主库珀(Leon Cooper)取得的一项令人震惊的突破。

电子是一种费米子,每一个电子都倾向于维持自己的量子态。但是,在一个温度极低的导体中,带负电的电子会轻微地改变导体中正电荷的“结构”,导致电子经历一种微小的相对吸引力。这会导致两个电子配对形成库珀对。

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 在低温的导体中,电子会配对形成库珀对。| 图片来源:Tem5psu/Wikicommons

库珀对的行为则更像玻色子,它们可以愉快地共享相同的态,从而实现费米凝聚。1971年,氦-3被证明在低于2.5毫开尔文(millikelvin)的温度下会变成一种超流体,这是第一次证明一种只包含费米子的超流体。2003年,物理学家金(Deborah Jin)的实验室利用强磁场和超低温诱导原子,成功创造了第一个基于原子的费米凝聚。

b65a2106afab.jpg插图(4)

 费米子钾原子对形成的凝聚的假色彩图像。从左到右的图像对应着随磁场强度变化,形成费米子对的原子之间吸引力增强。| 图片来源:Markus Greiner/University of Colorado, Boulder

费米凝聚所需的温度比BEC所需的温度更低,但它同样表现为一种超流体。为了从物质中创造出费米凝聚,你必须达到一些特殊的极端条件,比如温度低于50纳开尔文(nanokelvin),外加时变磁场。

一些研究人员认为,有关BEC与费米凝聚的突破,能够帮助我们理解超导性和超流性。金曾表示,她相信通过费米凝聚认识到的基本物理,最终将帮助其他科学家设计出更实用的超导材料。

与此同时,尽管这两种物质状态目前还只能在实验室中被创造出来,但它们也有可能在宇宙中扮演着重要角色。在浩瀚的宇宙中,中微子(费米子)或暗物质(可能是费米子,也可能是玻色子)非常有可能聚集在一起,形成它们自己的凝聚。一些科学家相信,解开宇宙最大谜团之一的关键,有可能就藏在这些最稀有、最极端的状态之中。

参考来源:

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/06/09/what-are-the-fifth-and-sixth-states-of-matter

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/06/09/what-are-the-fifth-and-sixth-states-of-matter

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