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物质六态是什么?一文带你搞清楚物质存在的各种形态 [复制链接]

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      在我们的固有认知里,物质只有三种形态,分别是固态、液态、气态,但其实,物质到目前为止,一共存在六种形态,还有三种分别是等离子态、玻色—爱因斯坦凝聚态、费米子凝聚态。
      
      等离子态
      
      人们常年看到的闪电、流星、部分高温火焰等,它们都是处于等离子态。1879年英国物理学家克鲁克斯在研究阴极射线时,发现了具有独特性质的等离子体,然而科学家真正给予它名称,还是要到1928年,朗廖尔将它命名为“Plasma"。
      

      

      

      
      首先,等离子体是一种导电流体,但是又能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电中性;其次,气体分子间不存在净电磁力,而等离子体中的带电粒子之间存在库仑力;再者,作为一个带电粒子体系,等离子体的运动行为会受到电磁场的影响和支配。因此,等离子体是完全不同于普通气体的一种新的物质聚集态。
      
      等离子体的存在还有其特征的空间和时间限度:
      
      如果电离气体的空间尺度L不满足等离子体存在的空间条件L>>D(德拜长度D为等离子体宏观空间尺度的下限)的空间限制条件,或者电离气体的存在的时间不满足>>p(等离子体的振荡周期p为等离子体存在的时间尺度的下限)时间限制条件,这样的电离气体都不能算作等离子体。
      

      
      需要说明的是,世界上在还存在低温等离子体,低温等离子体放电过程中虽然电子温度很高,但重粒子温度很低,整个体系呈现低温状态,所以称为低温等离子体,也叫非平衡态等离子体。
      

      
      比如说太阳就是一个气态与等离子态混合的球体,在科学家眼中,太阳拥有双重状态,存在于大气层周围的事物属气态物质,而存在于太阳内部的事物多为等离子态。
      

      
      比如利用等离子弧进行切割、焊接、喷涂、利用等离子体制造各种新颖的光源和显示器等。如果利用这种显示器制造电视,那么电视机可以像画一样挂在墙上。用等离子体技术处理高分子材料,包括塑料和纺织物,既能改变材料的表面性质,又能保留原材料的优异性能,而且无污染。在军事上可以利用等离子体来规避探测系统,用于飞机等武器装备的隐形。
      

      
      玻色–爱因斯坦凝聚态是玻色子原子在冷却到接近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质状态(物态)。
      

      
      基本粒子如今可以分为组成物质的费米子以及传递力的玻色子。传递力的(规范)玻色子有四种:1传递电磁力的光子、2传递引力的引力子、3传递核强力的胶子、4传递弱力的玻色子。
      

      
      1938年,彼得·卡皮查、约翰·艾伦和冬·麦色纳(Don Misener)发现氦-4在降温到2.2 K时会成为一种叫做超流体的新的液体状态。
      

      
      但人们第一次捕获到它是在1995年,麻省理工学院的沃夫冈·凯特利与科罗拉多大学鲍尔德分校的埃里克·康奈尔和卡尔·威曼使用气态的铷原子在170 nK(1.7×107K)的低温下首次获得了玻色-爱因斯坦凝聚。在这种状态下,几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态,形成一个宏观的量子状态。
      

      
      与一般人们遇到的其它相态相比,玻色-爱因斯坦凝聚非常不稳定。玻色-爱因斯坦凝聚与外界世界的极其微小的相互作用足以使它们加热到超出临界温度,分解为单一原子的状态。
      
      玻色-爱因斯坦凝聚态具有很多有趣的特性,它们可以有异常高的光学密度差。凝聚的折射系数非常小。能使用激光可以改变玻色-爱因斯坦凝聚的原子状态,使它对一定的频率的系数骤增。这样光速在凝聚内的速度就会骤降,甚至降到数米每秒。所以会用玻色—爱因斯坦凝聚来降低光速。
      

      
      2018年,Nature杂志发表了一项物理学重磅研究:科学家们在太空中首次创造了“物质的第五态”——玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC),并成功刷新了宇宙中的最低温度。
      

      
      不过科学家认为利用玻色-爱因斯坦凝聚态可以将原本只能在原子层面观测到的两字现象放大到宏观的尺度,从而让我们能够更加深入地去了解量子的规律。除此之外,玻色-爱因斯坦凝聚态还被认为是制作黑洞模型的最好材料,因为入射的光不会逃离。凝聚也可以用来“冻结”光,这样被“冻结”的光在凝聚分解时又会被释放出来。
      

      
      费米子凝聚态
      
      既然玻色子可以构建物质的第五种形态,那么作为组成物质的另外一种粒子费米子自然也能构建物质新的形态。
      
      “费米子凝聚态”与“玻色一爱因斯坦凝聚态”一样都是物质在量子状态下的形态,2004年,美国标准技术研究院和美国科罗拉多大学的科学家组成的以德拉·金为领导的联合研究小组又再次宣布,发现了物质的第六种形态—费米子凝聚态。
      

      
      这两类粒子特性的区别,在极低温时表现得最为明显:玻色子全部聚集在同一量子态上,费米子则与之相反,更像是“个人主义者”,各自占据着不同的量子态。“玻色一爱因斯坦凝聚态”物质由玻色子构成,其行为像一个大超级原子,而“费米子凝聚态”物质采用的是费米子。当物质冷却时,费米子逐渐占据最低能态,但它们处在不同的能态上,这种状态称作“费米子凝聚态”。
      

      
      不过科学家把两个费米子结合在一起成为具有玻色子性质的“费米子对”即库柏对(电子结合在一起的状态。一般来说,电子之间都有微小的引力,由此使得电子的能量低于费米能时,电子就会结合在一起),这样使费米子对冷凝,成为费米凝聚。
      

      

      
      目前,对费米子凝聚态的研究还非常初级,另外,无论是玻色-爱因斯坦凝聚态还是费米子凝聚态,都是科学家在一定条件下获得的,目前自然界还没有发现这样状态的物质。
      

      
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