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宇宙最初的物質(zhì)是什么？水蒸汽為何能幻化成天上的云，地上的水，河 面上的冰？北極光為什么出現(xiàn)在南北極？……自然界充滿謎團(tuán)。而這些謎團(tuán) 無(wú)不涉及到同一個(gè)名詞——物質(zhì)的形態(tài)！ 從固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)到目前最近發(fā)現(xiàn)的第六態(tài)——費(fèi)米子凝聚態(tài)，人類 對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深，而有關(guān)物質(zhì)形態(tài)的疑問(wèn)也越來(lái)越多。不同物質(zhì)形態(tài) 有怎樣的特性？物質(zhì)的不同形態(tài)是如何轉(zhuǎn)化的？物態(tài)的變化對(duì)人類社會(huì)有怎 樣的影響？物態(tài)研究對(duì)未來(lái)有怎樣的推動(dòng)？ 帶著思考和疑問(wèn)，進(jìn)入《物質(zhì)的形態(tài)》，在這里，你將認(rèn)識(shí)到形形色色 的物質(zhì)形態(tài)種類和特性，了解自然界和生活中常見的一些現(xiàn)象的本質(zhì)，并共同分享夢(mèng)幻般的科技前沿！

 物質(zhì)六態(tài)指：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、等離子態(tài)、超固態(tài)、中子態(tài)（費(fèi)米子凝聚態(tài)）.通常所見的物質(zhì)有三態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài).物質(zhì)是由分子、子構(gòu)成的.處于氣態(tài)的物質(zhì),其分子與分子之間距離很遠(yuǎn),幾乎像宇宙空間中的星球那樣分散.然而,對(duì)于液態(tài)物質(zhì)來(lái)說(shuō),構(gòu)成它們的分子彼此已靠得很近,分子一個(gè)挨著一個(gè),它的密度要比氣態(tài)的大得多.拿水中的H2O（水分子）來(lái)說(shuō),它們就像鏈條一樣,一個(gè)接一個(gè)構(gòu)成一條水分子的長(zhǎng)鏈.雖然水分子已經(jīng)彼此緊靠在一起,但構(gòu)成水分子的二個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子,它們之間還離得很開.對(duì)于固態(tài)物質(zhì)來(lái)說(shuō),構(gòu)成元素是以原子狀態(tài)存在的,而且固體中的原子一個(gè)挨著一個(gè),組成一個(gè),‘點(diǎn)陣”,就像造房子的腳手架那樣,相互攀拉牢牢地結(jié)合在一起,這就是固體比液體硬的原因.原子是由原子核和電子組成的,通常情況下電子都圍繞著原旋轉(zhuǎn).然而在幾千攝氏度以上的高溫中,氣態(tài)的原子開始拋掉身上的電子,于是帶負(fù)電的電子開始自由自在地游逛,而原子也成為帶正電的離子.溫度愈高,氣體原子脫落的電子就愈多,這種現(xiàn)象叫做氣體的電離化.科學(xué)家把電離化的氣體,叫做“等離子態(tài)”.除了高溫以外,用強(qiáng)大的紫外線、X射線和丙種射線來(lái)照射氣體,也可以便氣體轉(zhuǎn)變成等離子態(tài).也許你感到這種等離子態(tài)很稀罕吧!其實(shí),在廣漠無(wú)邊的宇宙中,它是最普遍存在的一種形態(tài).因?yàn)橛钪嬷写蟛糠值陌l(fā)光的星球,它們內(nèi)部的溫度和壓力都高極了,這些星球內(nèi)部的物質(zhì)幾乎都處在等離子態(tài).這是物質(zhì)的第四種狀態(tài).處于等離子態(tài)的物質(zhì),電子與原子核“身首異處”,彼此離開.在白矮星里面,壓力和溫度更高了.在幾百吉帕氣壓的壓力下,不但原子之間的空隙被壓得消失了,就是原子外圍的電子層也都被壓碎了,所有的原子核和電子都緊緊地?cái)D在一起,這時(shí)候物質(zhì)里面就不再有什么空隙,這樣的物質(zhì),科學(xué)家把它叫做“超固態(tài)”.白矮星的內(nèi)部就是充滿這樣的超固態(tài)物質(zhì).在我們居住著的地球的中心,那里的壓力達(dá)到350吉帕左右,因此也存在著一定的超固態(tài)物質(zhì).假如在超固態(tài)物質(zhì)上再加上巨大的壓力,那么原來(lái)已經(jīng)擠得的原子核和電子,就不可能再緊了,這時(shí)候原于核只好宣告解散,從里面放出質(zhì)子和中子.從原于核里放出的質(zhì)子,在極大的壓力下會(huì)和電子結(jié)合成為中子.這樣一來(lái),物質(zhì)的構(gòu)造發(fā)生了根本的變化,原來(lái)是原子核和電子,現(xiàn)在卻都變成了中于.這樣的狀態(tài),叫做“中子態(tài)”.中子態(tài)物質(zhì)的密度更是嚇人,它比超固態(tài)物質(zhì)還要大十多萬(wàn)倍呢!一個(gè)火柴盒那么大的中子態(tài)物質(zhì),重30億噸,要有960000多臺(tái)重型火車頭才能拉動(dòng)它!在宇宙中,估計(jì)只有少數(shù)的恒星,才具有這種形態(tài)的物質(zhì).

們?nèi)祟惥幼≡谝粋€(gè)絕大部分由這些固態(tài)物質(zhì)組成的天地里。當(dāng)然，我們一樣離不開水和空氣，它們分別屬于液態(tài)和氣態(tài)物質(zhì)中的一類，相比較而言，這些柔軟而易揮發(fā)的物質(zhì)在我們生存的環(huán)境中占據(jù)的比例更大，對(duì)我們生活的影響其實(shí)也更大：在科幻故事中，人類依然可以生活在未來(lái)水世界上，卻無(wú)法生活在全部由巖石構(gòu)成的世界之中。

 物質(zhì)的三態(tài)之間的轉(zhuǎn)換很早就被人類認(rèn)識(shí)到了，它們是不同溫度下的狀態(tài)，由所謂的冰點(diǎn)和熔點(diǎn)決定各自產(chǎn)生轉(zhuǎn)換的溫度。100多年前，人類對(duì)物質(zhì)狀態(tài)的認(rèn)識(shí)基本上僅只于此。雖然亞里士多德在2000多年前就發(fā)現(xiàn)世界的組成除了這三態(tài)以外還包括火，但他也不清楚火究竟是一種什么物質(zhì)？其實(shí)這就是物質(zhì)的第四種狀態(tài)——等離子體的一種表現(xiàn)形式。

如果把氣體持續(xù)加熱幾千甚至上萬(wàn)度時(shí)，物質(zhì)會(huì)呈現(xiàn)出一種什么樣的狀態(tài)呢？這時(shí)，氣體原子的外層電子會(huì)擺脫原子核的束縛成為自由電子，失去外層電子的原子變成帶電的離子，這個(gè)過(guò)程稱為電離。所謂“電離”，其實(shí)就是電子離開原子核的意思。除了加熱能使原子電離(熱電離)外，還可通過(guò)電子吸收光子能量發(fā)生電離(光電離)，或者使帶電粒子在電場(chǎng)中加速獲得能量與氣體原子碰撞發(fā)生能量交換，從而使氣體電離(碰撞電離)。發(fā)生電離(無(wú)論是部分電離還是完全電離)的氣體稱之為等離子體(或等離子態(tài))。等離子體的獨(dú)特行為與固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)截然不同，因此稱之為物質(zhì)第四態(tài)。

等離子體的存在機(jī)理是怎樣的呢？物質(zhì)是由分子或者原子組成的，而分子也是由原子組成。原子都由原子核和繞核高速運(yùn)動(dòng)的電子構(gòu)成。原子核帶正電，電子帶負(fù)電，正、負(fù)電數(shù)量相等，整個(gè)原子對(duì)外不顯電性。電子之所以繞核運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗哪芰坎蛔阋話昝摵说氖`力。如果不停地給物質(zhì)加熱，當(dāng)溫度升高到數(shù)十萬(wàn)度甚至更高，或者用較高電壓的電激，電子就能獲得足夠逃逸的能量，從原子核上剝落下來(lái)，成為自由運(yùn)動(dòng)的電子。這就像一群下課后的學(xué)生跑到操場(chǎng)上隨意玩耍一樣。這時(shí)物質(zhì)就成為由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成的一團(tuán)勻漿，人們戲稱它“離子漿”。這些離子漿中正負(fù)電荷總量相等，因此又叫等離子體。

等離子體在我們的宇宙中大量存在，從一根蠟燭燃起的火苗到滋生萬(wàn)物的太陽(yáng)，從閃爍的星星到燦爛的星系。就在我們周圍，在日光燈和霓虹燈的燈管里，在眩目的白熾電弧里，都能找到它的蹤跡；另外，在地球大氣層的電離層里，在美麗的極光和流星的尾巴里，也能找到奇妙的等離子態(tài)；放眼宇宙，更是等離子體的天下，宇宙中大部分發(fā)光的星球內(nèi)部溫度和壓力都很高，這些星球內(nèi)部的物質(zhì)差不多都處于等離子態(tài)，像太陽(yáng)這樣灼熱的恒星就是一團(tuán)巨大的等離子體。只有那些昏暗的行星和分散的星際物質(zhì)里才可以找到固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的物質(zhì)。據(jù)印度天體物理學(xué)家沙哈的計(jì)算，宇宙中99%的物質(zhì)都處于等離子體狀態(tài)，而地球上常見的物質(zhì)狀態(tài)在宇宙中卻成為稀罕寶貝。

 這是為什么呢？原來(lái)是地球演化到今日，已成為一顆冷行星。實(shí)際上，室溫下物質(zhì)的電離成分完全可以忽略不計(jì)，即使溫度上升到一萬(wàn)度，電離成分也不過(guò)千萬(wàn)分之一！

 超級(jí)大原子——物質(zhì)第五態(tài)

 如果物質(zhì)不斷冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去，比如說(shuō)，接近絕對(duì)零度(-273.16℃)吧，在這樣的極低溫下，物質(zhì)又會(huì)出現(xiàn)什么奇異的狀態(tài)呢？這時(shí)，奇跡出現(xiàn)了——所有的原子似乎都變成了同一個(gè)原子，再也分不出你我他了！這就是物質(zhì)第五態(tài)——玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)(以下簡(jiǎn)稱“玻愛凝聚態(tài)”)。

這個(gè)新的第五態(tài)的發(fā)現(xiàn)還得從1924年說(shuō)起，那一年，年輕的印度物理學(xué)家玻色寄給愛因斯坦一篇論文，提出了一種關(guān)于原子的新的理論，在傳統(tǒng)理論中，人們假定一個(gè)體系中所有的原子(或分子)都是可以辨別的，我們可以給一個(gè)原子取名張三，另一個(gè)取名李四……，并且不會(huì)將張三認(rèn)成李四，也不會(huì)將李四認(rèn)成張三。然而玻色卻挑戰(zhàn)了上面的假定，認(rèn)為在原子尺度上我們根本不可能區(qū)分兩個(gè)同類原子(如兩個(gè)氧原子)有什么不同。

玻色的論文引起了愛因斯坦的高度重視，他將玻色的理論用于原子氣體中，進(jìn)而推測(cè)，在正常溫度下，原子可以處于任何一個(gè)能級(jí)(能級(jí)是指原子的能量像臺(tái)階一樣從低到高排列)，但在非常低的溫度下，大部分原子會(huì)突然跌落到最低的能級(jí)上，就好像一座突然坍塌的大樓一樣。處于這種狀態(tài)的大量原子的行為像一個(gè)大超級(jí)原子。打個(gè)比方，練兵場(chǎng)上散亂的士兵突然接到指揮官的命令“向前齊步走”，于是他們迅速集合起來(lái)，像一個(gè)士兵一樣整齊地向前走去。后來(lái)物理界將物質(zhì)的這一狀態(tài)稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)(BEC)，它表示原來(lái)不同狀態(tài)的原子突然“凝聚”到同一狀態(tài)。這就是嶄新的玻愛凝聚態(tài)。然而，實(shí)現(xiàn)玻愛凝聚態(tài)的條件極為苛刻和矛盾：一方面需要達(dá)到極低的溫度，另一方面還需要原子體系處于氣態(tài)。極低溫下的物質(zhì)如何能保持氣態(tài)呢？這實(shí)在令無(wú)數(shù)科學(xué)家頭疼不已。后來(lái)物理學(xué)家使用稀薄的金屬原子氣體，金屬原子氣體有一個(gè)很好的特性：不會(huì)因制冷出現(xiàn)液態(tài)，更不會(huì)高度聚集形成常規(guī)的固體。實(shí)驗(yàn)對(duì)象找到了，下一步就是創(chuàng)造出可以冷卻到足夠低溫度的條件。由于激光冷卻技術(shù)的發(fā)展，人們可以制造出與絕對(duì)零度僅僅相差十億分之一度的低溫。并且利用電磁操縱的磁阱技術(shù)可以對(duì)任意金屬物體實(shí)行無(wú)觸移動(dòng)。這樣的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，終于在玻色—愛因斯坦凝聚理論提出71年之后的1995年6月，兩名美國(guó)科學(xué)家康奈爾、維曼以及德國(guó)科學(xué)家克特勒分別在銣原子蒸氣中第一次直接觀測(cè)到了玻愛凝聚態(tài)。這三位科學(xué)家也因此而榮膺2001年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，這個(gè)領(lǐng)域經(jīng)歷著爆發(fā)性的發(fā)展，目前世界上己有近30個(gè)研究組在稀薄原子氣中實(shí)現(xiàn)了玻愛凝聚態(tài)。