稀有而极端的第六种物质状态
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Takeko，头图来自pixabay
一
物质一共有几种状态？
你可能从很早之前就知道三种最常见的状态——固体、液体和气体。在地球表面，这三态随处可见，岩石是固体，水是液体，而我们呼吸的空气是气体。三种状态在温度和压力的作用下可以相互转换。
但这显然不是故事的全貌。如果我们进入亚原子的世界，也就是在比原子更小的尺度上，更加精彩的故事刚刚展开。
原子实际上是由原子核以及核外的电子组成。如果用足够的能量轰击原子，把它的电子踢开，就能创造出电离等离子体，这是物质的第四种状态。（详见《神秘而强大的第四种物质状态》。）
但是，除了最常见的三态，以及这种高能的电离等离子体之外，当物质处于极低温的状态下，比如接近绝对零度的时候，两类粒子——玻色子与费米子也能以各自独特的方式凝聚，从而创造出第五种和第六种物质状态，它们分别被称为玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）和费米凝聚。
在极低温的状态下，凝聚会出现，它们具有独特的性质。| 图片设计：雯雯；素材参考：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
二
要了解物质的第五和第六种状态，我们可以先回忆一下粒子世界。
上个世纪，物理学家发现了原子核中的秘密。原子核其实还可以进一步被“拆分”成质子与中子，它们分别又由三个夸克组成。负责传递强核力的胶子就像胶水一样，将三个夸克紧密地“粘”在一起。
质子（左）和中子（右）分别由三个夸克构成，u代表上夸克，d代表下夸克。负责传递强核力的胶子会将夸克牢牢地”粘“在一起。
夸克和电子都属于标准模型中的基本粒子，也就是不可再分割的粒子。一个关键的点在于，标准模型中的每一种基本粒子，甚至宇宙中的每个复合粒子，要么是费米子，要么是玻色子。
当我们测量费米子的自旋（内禀角动量）时，总会得到以普朗克常数除以2π为单位的半整数值，比如1/2、3/2、5/2等等。相反，玻色子的自旋总是整数值，也就是0、1、2……
费米子与玻色子还有一个重要的区别是，费米子遵循泡利不相容原理，也就是说，在费米子组成的系统中，两个或两个以上的费米子不能占据相同的量子态。但是，玻色子则没有这样的限制。因此，玻色子可以坍塌到相同的量子基态。这个过程就被称为BEC，它被认为是超导的核心。
1995年，物理学家最早利用磁场，在铷原子蒸汽中得到了BEC。近日，在国际空间站，研究人员首次在失重条件下创造出了BEC。（详见《首次在太空中，创造出第五种物质状态》。）
三
那么，如何才能达到第六种物质状态？
事实上，费米凝聚的故事可以追溯到20世纪50年代，诺贝尔物理学奖得主库珀（Leon Cooper）取得的一项令人震惊的突破。
电子是一种费米子，每一个电子都倾向于维持自己的量子态。但是，在一个温度极低的导体中，带负电的电子会轻微地改变导体中正电荷的“结构”，导致电子经历一种微小的相对吸引力。这会导致两个电子配对形成库珀对。
在低温的导体中，电子会配对形成库珀对。| 图片来源：Tem5psu/Wikicommons
而库珀对的行为则更像玻色子，它们可以愉快地共享相同的态，从而实现费米凝聚。1971年，氦-3被证明在低于2.5毫开尔文（millikelvin）的温度下会变成一种超流体，这是第一次证明一种只包含费米子的超流体。2003年，物理学家金（Deborah Jin）的实验室利用强磁场和超低温诱导原子，成功创造了第一个基于原子的费米凝聚。
费米子钾原子对形成的凝聚的假色彩图像。从左到右的图像对应着随磁场强度变化，形成费米子对的原子之间吸引力增强。| 图片来源：Markus Greiner/University of Colorado, Boulder
费米凝聚所需的温度比BEC所需的温度更低，但它同样表现为一种超流体。为了从物质中创造出费米凝聚，你必须达到一些特殊的极端条件，比如温度低于50纳开尔文（nanokelvin），外加时变磁场。
四
一些研究人员认为，有关BEC与费米凝聚的突破，能够帮助我们理解超导性和超流性。金曾表示，她相信通过费米凝聚认识到的基本物理，最终将帮助其他科学家设计出更实用的超导材料。
与此同时，尽管这两种物质状态目前还只能在实验室中被创造出来，但它们也有可能在宇宙中扮演着重要角色。在浩瀚的宇宙中，中微子（费米子）或暗物质（可能是费米子，也可能是玻色子）非常有可能聚集在一起，形成它们自己的凝聚。一些科学家相信，解开宇宙最大谜团之一的关键，有可能就藏在这些最稀有、最极端的状态之中。
参考来源：
https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/06/09/what-are-the-fifth-and-sixth-states-of-matter
https://physicsworld.com/a/fermionic-condensate-makes-its-debut/
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