为什么物理学家能不断发现新的物质状态?

北京时间4月3日消息,我们常见的物质有三种基本状态,即固态、液态和气态。这是一个理解我们所处物理世界的简单方法。当然,如果你还记得一点高中时的科学知识,你可能会想起物质的第四种状态:等离子态。如果关注科学新闻,你可能还听说过“玻色-爱因斯坦凝聚态”。这就有五种物质状态了。

那么,简并态物质呢?还有拓扑超导体和时间晶体呢?没错,尽管我们在日常生活中不会遇到,但这些都是物质的合理状态(或称为“相”)。事实上,物理学家已经发现了许多物质状态,很可能数以千计。与此同时,他们仍然一直在寻找新的物质状态。据推测,我们或许可以发现数百万种可能的物质状态。

当然,最基本的三种物质状态在很早以前就已为人熟知。到了19世纪下半叶,当电实验首次产生等离子体时,科学家意识到,可能存在着更多新的物质状态。玻色-爱因斯坦凝聚理论最早于1924年提出,之后我们对物理学的理解不断扩展,很快就发现即使在日常生活中,物质的状态也比原先认为的多得多。

对物理学家来说,冰箱上的磁铁和冰箱本身是不同形式的物质。酒杯和放置它的木架子同样代表了物质的两种不同状态。

物质的状态只表明了原子或其他构成物质的粒子的排列方式,而不同的排列会产生不同的性质。例如,在固体中,分子排列成晶格结构,这就增加了材料的刚性。在液体中,分子间相互流动,但它们不能像在气体中那样轻易地相互靠近或远离。在等离子体中,分子就像在气体中一样流动,但它们的电子可以自由移动,从而可以很容易地导电。

物质的分子和组成粒子有无数的排列方式。例如,在固体中,分子排列形成三维晶体结构的方式有230种,这些排列方式又称为“空间组”。每一个空间组就代表了一种物质形式。根据电子的排列方式,这230个空间组中的每一个都可以是导体或绝缘体,这也使其成为不同形式的物质。

当温度非常高或非常低,且压力非常大的时候,正常物质会变形为各种性质奇特的状态。例如,在中子星内部,原子核可能会被压缩成一种“简并态”物质,电子和质子被迫结合在一起形成中子,甚至进一步形成一种仅由基本粒子构成的夸克-胶子等离子体。在另一个极端,当分子温度接近绝对零度时,量子力学开始在宏观尺度上可见。当一堆原子被冷却到接近绝对零度时,就会形成玻色-爱因斯坦凝聚,它们会表现得就好像是单个原子一样。这赋予了这些原子独特的性质,就像完全没有黏性一样。换句话说,你可以在其中制造出永远旋转的小漩涡。

荷兰阿姆斯特丹大学凝聚态理论副教授贾斯帕·范·韦策尔(Jasper van Wezel)表示,我们之所以能不断发现新的物质状态,部分原因很简单,因为有太多的物质有待发现。“原子、分子或任何你可以用来排列的东西都有这些特性,”他说,“而发现所有这些可能性只是时间问题。”

随着技术的进步,我们也能够在更极端的条件下进行实验,而且精确度更高。例如,我们现在可以观测到不同物质中的粒子有不同的自旋。自旋是粒子固有的特性,可以产生磁力。

“在20世纪50年代,你只需要测量磁化强度,然后说,‘看,这两个东西都有磁性——我可以把它们都贴在冰箱上’,就这样,”范·韦策尔说,“但现在我们有了深入物质内部的工具,可以观察每一个粒子的自旋,我们可以说,‘看,它们都是有磁性的,但在这个东西中,有三分之一的自旋是相反的,而在那个东西中不是这样,所以它们是不同的。”

利用这些新的发现,物理学家或许可以操纵这些自旋来创造出具有全新性质的物质。发现物质利用的多种可能性也是物理学家如此痴迷于发现新物质状态的原因之一,新的相也因此令人倍感兴奋。

“每次我们发现物质的新相,它都会给我们一系列以前任何物质相都无法比拟的特性,”美国莱斯大学物理系的助理教授卡登·哈泽德(Kaden Hazzard)说,“如果你拥有的只是液体,而有人递给你一块砖,突然间你就有了新的能力,可以抵挡过去所无法抵挡的东西。”

举例来说,当一些材料被冷却到非常低的温度时,它们可以变成超导体,意味着它们可以零电阻地传输电流。如果将这一技术应用于商业领域,可以大大减小将电力输送到家庭的输电线损失,或者使计算机的工作效率大大提高。

最近发现的一种被称为“拓扑超导体”的物质状态,其内部就如同电绝缘体,但其边缘则是导电的。这些独特的性能可以用在量子计算机上,以保护存储信息的脆弱量子位。

也有一些我们尚未发现,但物理学家认为应该存在的物质特性,这非常令人期待。例如,长期以来,室温超导体一直被认为是凝聚态物理学的“圣杯”。这种材料将彻底改变我们用电的方式,从而将完全改变我们的未来生活。

物理学家们热衷研究的另一类物质是量子自旋液体。在量子自旋液体中,粒子的自旋会相互影响,以一种意想不到的方式产生磁性。这类物质可能将推动我们开发出更好的量子计算机,甚至有助于创造室温超导体。

物理学家有时并不一定要去寻找理论上应该存在的材料,而是应反其道而行之,去努力解释一些新创造出来的物质,为何能表现出令人完全意想不到的作用方式。或许最好的例子就是分数量子霍尔效应。想象一堆电子在一个二维材料的磁场中移动。与系统有关的电荷应该是e,即电子携带的电荷;但是,当科学家测量时,他们发现电荷却正好是e除以3。

哈泽德说:“这让实验者大吃一惊,因为里面没有任何东西的电荷低于e。”他将此比作一堆台球扔到台球桌上,看着它们落入袋中,但不知何故,这些移动的台球重量只有正常重量的三分之一。

用台球打比方听起来很荒谬,但在量子层面上,情况就不一样了。科学家发现,当电子一起运动时,它们的运动会使其表现得就像携带了实际电荷的三分之一。这也意味着,这些电子变成了一种全新的物质状态。

类似的发现促使物理学家就像寻宝一样在努力寻找新的物质状态。在物理学定律中,肯定隐藏着更多意想不到的物质性质。当粒子以合适的方式排列,并与物理状态融合形成新的物质实体,或许就能让我们再一次拥有以前从未梦想过的能力。(任天)

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