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物体不只三态

物体不只三态
除了固、液、气态外，还有其它状态吗？

　　看到这个题目，你一定会毫不犹豫地说，物质有三种状态：固态、液态和气态。其实物质还有第四种状态，那就是等离子态。

　　我们知道，把冰加热到一定程度，它就会变成液态的水，如果继续升高温度，液态的水就会变成气态，如果继续升高温度到几千度以上，气体的原子就会抛掉身上的电子，发生气体的电离化现象，物理学家把电离化的气体就叫做等离子态。

　　在茫茫无际的宇宙空间里，等离子态是一种普遍存在的状态。宇宙中大部分发光的星球内部温度和压力都很高，这些星球内部的物质差不多都处于等离子态。只有那些昏暗的行星和分散的星际物质里才可以找到固态、液态和气态的物质。

　　就在我们周围，也经常看到等离子态的物质。在日光灯和霓虹灯的灯管里，在眩目的白炽电弧里，都能找到它的踪迹。另外，在地球周围的电离层里，在美丽的极光、大气中的闪光放电和流星的尾巴里，也能找到奇妙的等离子态。

　　除了等离子态外，科学家还发现了“超固态”和“中子态”。宇宙中存在一颗白矮星，它的密度很大，大约是水的3600万到几亿倍。一立方厘米白矮星上的物质就有100～200公斤重，这是怎么回事呢？

　　原来，普通物质内部的原子与原子之间有很大的空隙，但是在白矮星里面，压力和温度都很大，在几百万个大气压的压力下，不但原子之间的空隙被压缩了，就是原子外围的电子层也被压缩了。所有的原子核和原子都紧紧地挤在一起，物质里面不再有什么空隙，因此物质就特别重，这样的物质就是超固态。科学家推测，不但白矮星内部充满了超固态物质，在地球中心一定也存在着超固态物质。

　　假如在超固态物质上再加上巨大的压力，原子核只好被迫解散，从里面放出质子和中子。放出的质子在极大的压力下会跟电子结合成中子。这样一来，物质的结构就发生了根本性的改变，原来是原子核和电子，现在都变成了中子。这样的状态就叫做“中子态”。

　　中子态物质的密度大得更是吓人，它比超固态物质还要大10多万倍。一个火柴盒那么大的中子态物质，就有30亿吨重，要用96000台重型火车头才能拉动它。
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物质第五态－－玻色-爱因斯坦凝聚态

玻色-爱因斯坦凝聚态

　　如果物质不断冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去，比如说，接近绝对零度（-273.16℃）吧，在这样的极低温下，物质又会出现什么奇异的状态呢？

　　这时，奇迹出现了－－所有的原子似乎都变成了同一个原子，再也分不出你我他了！这就是物质第五态－－玻色-爱因斯坦凝聚态（以下简称“玻爱凝聚态”）。玻色-爱因斯坦凝聚态

　　这个新的第五态的发现还得从1924年说起，那一年，年轻的印度物理学家玻色寄给爱因斯坦一篇论文，提出了一种关于原子的新的理论，在传统理论中，人们假定一个体系中所有的原子（或分子）都是可以辨别的，我们可以给一个原子取名张三，另一个取名李四……，并且不会将张三认成李四，也不会将李四认成张三。然而玻色却挑战了上面的假定，认为在原子尺度上我们根本不可能区分两个同类原子（如两个氧原子）有什么不同。

　　玻色的论文引起了爱因斯坦的高度重视，他将玻色的理论用于原子气体中，进而推测，在正常温度下，原子可以处于任何一个能级（能级是指原子的能量像台阶一样从低到高排列），但在非常低的温度下，大部分原子会突然跌落到最低的能级上，就好像一座突然坍塌的大楼一样。处于这种状态的大量原子的行为像一个大超级原子。打个比方，练兵场上散乱的士兵突然接到指挥官的命令“向前齐步走”，于是他们迅速集合起来，像一个士兵一样整齐地向前走去。后来物理界将物质的这一状态称为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC），它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。这就是崭新的玻爱凝聚态。

　　然而，实现玻爱凝聚态的条件极为苛刻和矛盾：一方面需要达到极低的温度，另一方面还需要原子体系处于气态。极低温下的物质如何能保持气态呢？这实在令无数科学家头疼不已。

　　后来物理学家使用稀薄的金属原子气体，金属原子气体有一个很好的特性：不会因制冷出现液态，更不会高度聚集形成常规的固体。实验对象找到了，下一步就是创造出可以冷却到足够低温度的条件。由于激光冷却技术的发展，人们可以制造出与绝对零度仅仅相差十亿分之一度的低温。并且利用电磁操纵的磁阱技术可以对任意金属物体实行无触移动。这样的实验系统经过不断改进，终于在玻色－爱因斯坦凝聚理论提出71年之后的1995年6月，两名美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒分别在铷原子蒸气中第一次直接观测到了玻爱凝聚态。这三位科学家也因此而荣膺2001年度诺贝尔物理学奖。此后，这个领域经历着爆发性的发展，目前世界上己有近30个研究组在稀薄原子气中实现了玻爱凝聚态。

　　玻爱凝聚态有很多奇特的性质，请看以下几个方面：

　　这些原子组成的集体步调非常一致，因此内部没有任何阻力。激光就是光子的玻爱凝聚，在一束细小的激光里拥挤着非常多的颜色和方向一致的光子流。超导和超流也都是玻爱凝聚的结果。

　　玻爱凝聚态的凝聚效应可以形成一束沿一定方向传播的宏观电子对波，这种波带电，传播中形成一束宏观电流而无需电压。

　　原子凝聚体中的原子几乎不动，可以用来设计精确度更高的原子钟，以应用于太空航行和精确定位等。

　　玻爱凝聚态的原子物质表现出了光子一样的特性正是利用这种特性，前年哈佛大学的两个研究小组用玻色-爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零，将光储存了起来。

　　玻爱凝聚态的研究也可以延伸到其他领域，例如，利用磁场调控原子之间的相互作用，可以在物质第五态中产生类似于超新星爆发的现象，甚至还可以用玻色-爱因斯坦凝聚体来模拟黑洞。

Ketterle在纳原子气中实现的BEC
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物质有了第六种形态－－费米子凝聚态

　　第六种物质形态诞生

　　人类生存的世界，是一个物质的世界。过去，人们只知道物质有三态，即气态、液态和固态。20世纪中期，科学家确认物质有第四态，即等离子体态(plasma)。1995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联合研究小组，首次创造出物质的第五态，即“玻色－爱因斯坦凝聚态”。为此，2001年度诺贝尔物理学奖授予了负责这项研究的三位科学家。 2004年1月29日，又是这个联合研究小组宣布，他们创造出物质的第六种形态－－－费米子凝聚态（fermionic condensate）。消息传出，国际物理学界为之振奋。专家们认为，这一成果为人类认识物质世界打开了又一扇大门，具有重大的理论和实践意义，将成为年度重大科技成果之一。

　　研究小组负责人德博拉·金今年30岁，2003年获得美国麦克阿瑟基金会颁发的“大天才”奖。她表示，这项成果有助于下一代超导体的诞生。而下一代超导体技术可在电能输送、超导磁悬浮列车、超导计算机、地球物理勘探、生物磁学、高能物理研究等众多领域和学科中大显身手。

　　几种物质形态的区别通常所见的物质是由分子、原子构成的。处于气态的物质，其分子与分子之间距离很远。而构成液态物质的分子彼此靠得很近，其密度要比气态的大得多。固态物质的构成元素是以原子状态存在的，原子一个挨着一个，相互牵拉，这就是固体比液体硬的原因。

　　被激发的电离气体达到一定的电离度之后便处于导电状态。电离气体中每一带电粒子的运动都会影响到其周围带电粒子，同时也受到其他带电粒子的约束。由于电离气体内正负电荷数相等，这种气体状态被称为等离子体态。

　　所谓玻色－爱因斯坦凝聚，是科学巨匠爱因斯坦在70年前预言的一种新物态。这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。玻色－爱因斯坦凝聚态物质由成千上万个具有单一量子态的超冷粒子的集合，其行为像一个超级大原子，由玻色子构成。这一物质形态具有的奇特性质，在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都有美好的应用前景。

　　费米子凝聚态是怎样创造出来的由于没有任何两个费米子能拥有相同的量子态，费米子的凝聚一直被认为不可能实现。去年，物理学家找到了一个克服以上障碍的方法，他们将费米子成对转变成玻色子。费米子对起到了玻色子的作用，所以可让气体突然冷凝至玻色－爱因斯坦凝聚态。这一研究为创造费米子凝聚态铺平了道路。

　　目前，从事费米子凝聚态研究的科学家们秉承着“大胆假设、小心求证”的科学精神，慎重地向这块未知的科学领域推进。

[楼主] 来自:未知地区 | xxx.xxx.xxx.xxx | Posted: 2008-06-14 03:15 PM

志不强者智不达。墨翟

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