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為什么物理學(xué)家能不斷發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)狀態(tài)？  新的發(fā)現(xiàn)促使物理學(xué)家就像尋寶一樣在努力尋找新的物質(zhì)狀態(tài) 那么，簡(jiǎn)并態(tài)物質(zhì)呢？還有拓?fù)涑瑢?dǎo)體和時(shí)間晶體呢？沒(méi)錯(cuò)，盡管我們?cè)谌粘Ｉ钪胁粫?huì)遇到，但這些都是物質(zhì)的合理狀態(tài)（或稱為“相”）。事實(shí)上，物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多物質(zhì)狀態(tài)，很可能數(shù)以千計(jì)。與此同時(shí)，他們?nèi)匀灰恢痹趯ふ倚碌奈镔|(zhì)狀態(tài)。據(jù)推測(cè)，我們或許可以發(fā)現(xiàn)數(shù)百萬(wàn)種可能的物質(zhì)狀態(tài)。 當(dāng)然，最基本的三種物質(zhì)狀態(tài)在很早以前就已為人熟知。到了19世紀(jì)下半葉，當(dāng)電實(shí)驗(yàn)首次產(chǎn)生等離子體時(shí)，科學(xué)家意識(shí)到，可能存在著更多新的物質(zhì)狀態(tài)。玻色-愛(ài)因斯坦凝聚理論最早于1924年提出，之后我們對(duì)物理學(xué)的理解不斷擴(kuò)展，很快就發(fā)現(xiàn)即使在日常生活中，物質(zhì)的狀態(tài)也比原先認(rèn)為的多得多。 對(duì)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，冰箱上的磁鐵和冰箱本身是不同形式的物質(zhì)。酒杯和放置它的木架子同樣代表了物質(zhì)的兩種不同狀態(tài)。 物質(zhì)的狀態(tài)只表明了原子或其他構(gòu)成物質(zhì)的粒子的排列方式，而不同的排列會(huì)產(chǎn)生不同的性質(zhì)。例如，在固體中，分子排列成晶格結(jié)構(gòu)，這就增加了材料的剛性。在液體中，分子間相互流動(dòng)，但它們不能像在氣體中那樣輕易地相互靠近或遠(yuǎn)離。在等離子體中，分子就像在氣體中一樣流動(dòng)，但它們的電子可以自由移動(dòng)，從而可以很容易地導(dǎo)電。 物質(zhì)的分子和組成粒子有無(wú)數(shù)的排列方式。例如，在固體中，分子排列形成三維晶體結(jié)構(gòu)的方式有230種，這些排列方式又稱為“空間組”。每一個(gè)空間組就代表了一種物質(zhì)形式。根據(jù)電子的排列方式，這230個(gè)空間組中的每一個(gè)都可以是導(dǎo)體或絕緣體，這也使其成為不同形式的物質(zhì)。 當(dāng)溫度非常高或非常低，且壓力非常大的時(shí)候，正常物質(zhì)會(huì)變形為各種性質(zhì)奇特的狀態(tài)。例如，在中子星內(nèi)部，原子核可能會(huì)被壓縮成一種“簡(jiǎn)并態(tài)”物質(zhì)，電子和質(zhì)子被迫結(jié)合在一起形成中子，甚至進(jìn)一步形成一種僅由基本粒子構(gòu)成的夸克-膠子等離子體。在另一個(gè)極端，當(dāng)分子溫度接近絕對(duì)零度時(shí)，量子力學(xué)開(kāi)始在宏觀尺度上可見(jiàn)。當(dāng)一堆原子被冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí)，就會(huì)形成玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，它們會(huì)表現(xiàn)得就好像是單個(gè)原子一樣。這賦予了這些原子獨(dú)特的性質(zhì)，就像完全沒(méi)有黏性一樣。換句話說(shuō)，你可以在其中制造出永遠(yuǎn)旋轉(zhuǎn)的小漩渦。 荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)凝聚態(tài)理論副教授賈斯帕·范·韋策爾（Jasper van Wezel）表示，我們之所以能不斷發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)狀態(tài)，部分原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)橛刑嗟奈镔|(zhì)有待發(fā)現(xiàn)。“原子、分子或任何你可以用來(lái)排列的東西都有這些特性，”他說(shuō)，“而發(fā)現(xiàn)所有這些可能性只是時(shí)間問(wèn)題。” 隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們也能夠在更極端的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而且精確度更高。例如，我們現(xiàn)在可以觀測(cè)到不同物質(zhì)中的粒子有不同的自旋。自旋是粒子固有的特性，可以產(chǎn)生磁力。 “在20世紀(jì)50年代，你只需要測(cè)量磁化強(qiáng)度，然后說(shuō)，‘看，這兩個(gè)東西都有磁性——我可以把它們都貼在冰箱上’，就這樣，”范·韋策爾說(shuō)，“但現(xiàn)在我們有了深入物質(zhì)內(nèi)部的工具，可以觀察每一個(gè)粒子的自旋，我們可以說(shuō)，‘看，它們都是有磁性的，但在這個(gè)東西中，有三分之一的自旋是相反的，而在那個(gè)東西中不是這樣，所以它們是不同的�！� 利用這些新的發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)家或許可以操縱這些自旋來(lái)創(chuàng)造出具有全新性質(zhì)的物質(zhì)。發(fā)現(xiàn)物質(zhì)利用的多種可能性也是物理學(xué)家如此癡迷于發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)狀態(tài)的原因之一，新的相也因此令人倍感興奮。 “每次我們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的新相，它都會(huì)給我們一系列以前任何物質(zhì)相都無(wú)法比擬的特性，”美國(guó)萊斯大學(xué)物理系的助理教授卡登·哈澤德（Kaden Hazzard）說(shuō)，“如果你擁有的只是液體，而有人遞給你一塊磚，突然間你就有了新的能力，可以抵擋過(guò)去所無(wú)法抵擋的東西�！� 舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)一些材料被冷卻到非常低的溫度時(shí)，它們可以變成超導(dǎo)體，意味著它們可以零電阻地傳輸電流。如果將這一技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，可以大大減小將電力輸送到家庭的輸電線損失，或者使計(jì)算機(jī)的工作效率大大提高。 最近發(fā)現(xiàn)的一種被稱為“拓?fù)涑瑢?dǎo)體”的物質(zhì)狀態(tài)，其內(nèi)部就如同電絕緣體，但其邊緣則是導(dǎo)電的。這些獨(dú)特的性能可以用在量子計(jì)算機(jī)上，以保護(hù)存儲(chǔ)信息的脆弱量子位。 也有一些我們尚未發(fā)現(xiàn)，但物理學(xué)家認(rèn)為應(yīng)該存在的物質(zhì)特性，這非常令人期待。例如，長(zhǎng)期以來(lái)，室溫超導(dǎo)體一直被認(rèn)為是凝聚態(tài)物理學(xué)的“圣杯”。這種材料將徹底改變我們用電的方式，從而將完全改變我們的未來(lái)生活。 物理學(xué)家們熱衷研究的另一類物質(zhì)是量子自旋液體。在量子自旋液體中，粒子的自旋會(huì)相互影響，以一種意想不到的方式產(chǎn)生磁性。這類物質(zhì)可能將推動(dòng)我們開(kāi)發(fā)出更好的量子計(jì)算機(jī)，甚至有助于創(chuàng)造室溫超導(dǎo)體。 物理學(xué)家有時(shí)并不一定要去尋找理論上應(yīng)該存在的材料，而是應(yīng)反其道而行之，去努力解釋一些新創(chuàng)造出來(lái)的物質(zhì)，為何能表現(xiàn)出令人完全意想不到的作用方式。或許最好的例子就是分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。想象一堆電子在一個(gè)二維材料的磁場(chǎng)中移動(dòng)。與系統(tǒng)有關(guān)的電荷應(yīng)該是e，即電子攜帶的電荷；但是，當(dāng)科學(xué)家測(cè)量時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)電荷卻正好是e除以3。 哈澤德說(shuō)：“這讓實(shí)驗(yàn)者大吃一驚，因?yàn)槔锩鏇](méi)有任何東西的電荷低于e�！彼麑⒋吮茸饕欢雅_(tái)球扔到臺(tái)球桌上，看著它們落入袋中，但不知何故，這些移動(dòng)的臺(tái)球重量只有正常重量的三分之一。 用臺(tái)球打比方聽(tīng)起來(lái)很荒謬，但在量子層面上，情況就不一樣了�？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電子一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們的運(yùn)動(dòng)會(huì)使其表現(xiàn)得就像攜帶了實(shí)際電荷的三分之一。這也意味著，這些電子變成了一種全新的物質(zhì)狀態(tài)。 |
