科普奇傳——物質形態除了固液氣的超物質形態

冰水混合物是晶體嗎

固，液，氣三態，又被稱為第一態、第二態和第三態。它們在我們日常生活中是極為常見的，就不再多提，下面主要介紹一些不常見的物質形態。

第四態：等離子態

物質原子內的電子在脫離原子核的吸引而形成帶負電的自由電子和帶正電的離子共存的狀態，此時，電子和離子帶的電荷相反，但數量相等，這種狀態稱作等離子態。

1879年，由英國皇家學會會員化學家兼物理學家—威廉·克魯克斯（William Crookes）發現。

其實等離子態的物質在我們生活中算是比較常見的了，例如恆星，火焰，閃電，極光，還有我們熒光燈的燈管內部也有它們的存在。

第五態：超固態

當物質處於在140萬大氣壓下，物質的原子就可能被“壓碎”。電子全部被“擠出”原子，形成電子氣體，裸露的原子核緊密地排列，物質密度極大，這就是超固態。一塊乒乓球大小的超固態物質，其質量至少在1000噸以上。

宇宙中的白矮星就是由超固態物質組成。而如果超固體幾乎全部由中子組成，如中子星那樣，則被稱為中子態。

第六態：輻射場態

輻射場態是英國物理學家法拉弟於1851年提出了場的概念。自然界不存在沒有物質的空間，即使是真空，也並非空無一物。

本世紀六十年代的天文觀測發現，在整個宇宙空間（包括真空）始終存在著3K微波背景輻射。

象這種具有輻射作用的引力場和電磁場（包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線和γ射線等），人們稱之為輻射場態物質，又叫真空場態物質。

第七態：反物質

指人們推測在宇宙的某些空間可能存在一種完全由反粒子組成的物質，這種物質稱為反物質。

1932年美國物理學家卡爾·大衛·安德森透過宇宙射線的實驗，發現了電子的反粒子——正電子+e。

1955年和1956年，美國物理學家西格里和張伯倫等人相繼發現了質子和中子的反粒子——反質子和反中子。後來，現代物理學又發現了反氘核和反氚核。

有說法稱，將反物質列為物質存在的一種狀態是不恰當的。物質第7態應為輻射態。

目前天文學觀測的結果顯示暗物質和暗能量很可能是物質存在的另外兩種未知狀態。

超臨界流體態：

臨界狀態是指純物質的氣、液兩相平衡共存的極限熱力狀態。

而溫度、壓力高於其臨界狀態的流體被稱作超臨界流體。通常把處於溫度超過臨界溫度而不論其壓力和密度是否超過臨界值狀態的流體都歸之為超臨界流體。

例如：當水的溫度和壓強升高到臨界點（t=374。3 ℃，p=22。05 MPa）以上時，就處於一種既不同於氣態，也不同於液態和固態的新的流體態──超臨界態。該狀態下水的液體和氣體沒有區別，完全交融在一起，被稱之為超臨界水。

非晶態：

非晶態固體與液態一樣具有近程有序而遠端無序的結構特徵（原子、分子範圍內有一定規則排列，而宏觀範圍沒有規則排列）。

非晶態固體宏觀上表現為各向同性，熔解時無明顯的熔點，只是隨溫度的升高而逐漸軟化，粘滯性減小，並逐漸過渡到液態。

非晶態固體又稱玻璃態，可看成是粘滯性很大的過冷液體。

非晶態有玻璃、樹脂、瀝青和高分子塑膠等。

液晶態：

液晶態是結晶態和液態之間的一種形態，是一種在一定溫度範圍內呈現既不同於固態、液態，又不同於氣態的特殊物質態，它既具有各向異性的晶體所特有的雙折射性，又具有液體的流動性。

如0~4℃的冰水混合物。

超流態：

超流態是1937年，前蘇聯物理學家彼得·列奧尼多維奇·卡皮察（1894～1984年）發現的。

當液態氦的溫度降到2。17K（-270。98℃）的時候，它就由原來液體的一般流動性突然變化為“超流動性”：它可以無任何阻礙地透過連氣體都無法透過的極微小的孔或狹縫（線度約10萬分之一釐米），還可以沿著杯壁“爬”出杯口外。

我們將具有超流動性的物態稱為“超流態”。但是目前只發現低於2。17K的液態氦有這種物態。

超導態：

超導態由荷蘭物理學家卡茂林·昂納斯（1853～1926年）最先發現，是一些物質在超低溫下出現的特殊物態。

1911年夏天，卡麥林·昂納斯用水銀做實驗，發現溫度降到4。173K的時候（約-269℃），水銀開始失去電阻。接著他又發現許多材料都又有這種特性，於是他把某些物質在低溫條件下表現出電阻等於零的現象稱為“超導”，超導體所處的物態就是“超導態”。

超導態在高效率輸電、磁懸浮高速列車、高精度探測儀器等方面將會給人類帶來極大的益處。

玻色-愛因斯坦凝聚態：

所謂“玻色一愛因斯坦凝聚態”，是科學巨匠愛因斯坦在70 年前預言的一種新物態。為了揭示這個有趣的物理現象，世界科學家為此付出了幾十年的努力。

1995年，美國科學家維曼、康奈爾和德國科學家克特勒首先從實驗上證實了這個新物態的存在。為此，2001年度諾貝爾物理學獎授予了這3位科學家，以表彰他們在實現“玻色一愛因斯坦凝聚態”研究中作出的突出貢獻。

“玻色一愛因斯坦凝聚態” 是物質的一種奇特的狀態，處於這種狀態的大量原子的行為像單個粒子一樣。這裡的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同，它表示原來不同狀態的原子突然“凝聚” 到同一狀態，要達到該狀態，一方面需要物質達到極低的溫度，另一方面還要求原子體系處於氣態。

雖然玻色-愛因斯坦凝聚很難理解也很難製作，但它們也有許多非常有趣的特性，比如它們可以有異常高的光學密度差。一般來說凝聚的折射係數是非常小的。因為它的密度比平常的固體要小得多。但使用鐳射可以改變玻色-愛因斯坦凝聚的原子狀態，使它對一定的頻率的係數驟增。這樣光速在凝聚內的速度就會驟降，甚至降到數米每秒。所以會用玻色—愛因斯坦凝聚來降低光速。

自轉的玻色-愛因斯坦凝聚可以作為黑洞的模型，入射的光不會逃離。凝聚也可以用來“凍結”光，這樣被“凍結”的光在凝聚分解時又會被釋放出來。由此可以造出‘液態光’。

費米子凝聚態：

量子力學認為，粒子按其在高密度或低溫度時集體行為可以分成兩大類：一類是費米子，得名於義大利物理學家費米；另一類是玻色子，得名於印度物理學家玻色。

這兩類粒子特性的區別，費米子凝聚態在極低溫時表現得最為明顯：玻色子全部聚集在同一量子態上，費米子則與之相反，更像是“個人主義者”，各自佔據著不同的量子態。

“玻色一愛因斯坦凝聚態”物質由玻色子構成，其行為像一個大超級原子，而“費米子凝聚態”物質採用的是費米子。

當物質冷卻時，費米子逐漸佔據最低能態，但它們處在不同的能態上，就像人群湧向一段狹窄的樓梯，這種狀態稱作“費米子凝聚態”。

超離子態：

美國科學家發現水在高溫及超高壓的狀態下可能形成超離子（superionic）態， 在這種狀態下， 水中的氫原子核可以如導體中的電子般自由活動。

科學家早在其它物質上觀察到超離子態， 在這些超離子態的物質中， 有些原子是固定在晶格上， 其它的原子則可在晶體中自由移動。

而在1980年代及1990年代就有計算機模擬發現超離子態也可能存在於水中， 也就是氧原子會被凍結在不規則的晶格上， 而氫原子核（僅包含一個帶正電的質子）則可在氧原子間跳躍。

可自由活動的氫原子核使得水具有導電性， 這也是一般純水或冰所沒有的性質。