固态、液态、气态……还有成千上万种态？

□文/蔡锴

大家都知道物质有3 种状态：固态、液态和气态。当然，如果你平时关注科学新闻，可能听说过物质还有等离子态（又称为超气态）和玻色-爱因斯坦凝聚态。这样，就有5 种物质状态了。

但是简并态物质呢？拓扑超导体？时间晶体？这些都可以算是物质的状态（或者说“相”），尽管我们在日常生活中不会遇到它们。

实际上，物理学家已知的物质状态有上千种，他们不断找到新的物质状态。据估计，潜在的物质状态可能达上百万之多。

随着对物理学认识的不断深入，科学家发现日常生活中遇到的物质状态比我们想象的要多。例如，在物理学家眼里，冰箱上的磁铁与冰箱本身是不同形式的物质；酒杯和它下面的木架子同样代表着两种不同的物质状态。

什么是物质状态

物质的状态实际上是指原子或其他组成物质的粒子的排列方式。不同的排列方式造成了物质不同的属性。

在固体中，分子以晶格结构排列，从而提高了材料的刚性。

在液体中，分子是流动的，但是它们无法像在气体中那样容易地彼此靠近或远离。

在等离子体中，分子像气体一样流动，但是它们的电子可以自由移动，使其易于导电。

物质的粒子可以有无穷多的排列方式。例如，晶体内部结构中全部对称要素的集合称为 “空间群”，而所有晶体结构都加起来也仅有230 种这样的空间群。每个空间群都是一种不同形式的物质，可以是导体或绝缘体，具体取决于电子的空间分布。

当温度极高或极低，且压力非常大时，正常物质会变得具有奇特属性。例如，在中子星内部，原子核可能会凝聚成一种所谓的简并物质，其中电子和质子被迫合在一起形成中子，甚至会凝聚成仅由基本粒子构成的夸克—胶子等离子体。又例如，当分子处于绝对零度附近时，量子力学效应会变得在宏观尺度上可见——分子们不会再乱跑，而是像量子力学里的物质波一样运动。

当多个原子的集合体冷却到接近绝对零度，并开始形成玻色—爱因斯坦凝聚体时，它们会变得像一个大原子一样。这给了它们独特的性质，例如完全不具备黏性。

操控那些神奇的自旋和超导

在荷兰阿姆斯特丹大学研究凝聚态理论的副教授贾斯珀·范韦泽尔表示，我们一直在寻找新物质状态的原因之一是有许多新状态还有待发现。他说道：“原子或分子具有很多性质，其排列方式也多种多样。穷尽所有的可能性需要时间。”

随着技术的进步，我们有能力在更极端的条件下以更高的精度进行实验。例如，现在我们可以看到，各种材料中的粒子具有不同的自旋。自旋是粒子固有的属性，是产生磁场的原因。

范韦泽尔说：“在20 世纪50 年代，你只要测量磁化强度，然后说‘看，它们都是磁性的，我可以将它们都粘在冰箱上，就是这样’。但现在，我们有了进入材料并观察每个自旋的工具，我们可以说‘看，它们都是有磁性的，不过这种物质每个自旋的z 方向分量都是反转的，而另一种物质却不这样，所以它们不一样。’”有了这些新发现的知识，物理学家也许能够操纵这些自旋来创建具有全新特性的材料。

夸克—胶子等离子体

寻找新的方式利用物质也是物理学家着迷于寻找新的物态的原因之一。

美国莱斯大学物理系助理教授卡登·哈扎德说：“每次发现的新物态都具有我们无法想象的新特性。如果你所拥有的只是液体，而有人给了你一块砖，那么，你突然就有能力做以前无法办到的事情。”

例如，当某些材料冷却到非常低的温度时，它们可以成为超导体，这意味着它们能以零电阻传输电流。对于商业应用而言，这意味着电力损失非常少，以及更高的计算机效率。

最近发现的一种称为拓扑超导体的物态，其物质内部是电绝缘的，但其边缘却是导电的。这种独特的功能可以在量子计算机中使用，以保护能存储信息但很脆弱的量子比特。

物理学家一直致力于寻宝活动

尽管一些令人兴奋的物质特性还有待发现，但物理学家认为它们是存在的。例如，室温超导体长期以来一直被视为凝聚态物理的圣杯，这种材料将改革我们的用电方式。

当下，许多物理学家正在积极寻找的另一种物质叫作量子自旋液体，当其粒子的自旋开始相互影响时，会意外产生磁性。这类物质可以用来做更好的量子计算机，甚至有助于制造室温超导体。

这些发现促使寻找新物态成为物理学家的寻宝活动。毫无疑问，物理定律中存在着更多意想不到的特性。只等物理学家找到粒子的正确排列和它们的物理状态，使它们成为现实，而这将赋予人类前所未有的能力。