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火是固體，液體還是氣體？簡單地說，火是等離子態(tài)。詳解如下：

我們的地球雖然身為宇宙的一員，但在浩瀚的宇宙中卻顯得孤傲不群，像一座孤獨飄零的島嶼。不要說它誕生了宇宙中極為罕見的智慧生命(而這樣的生命在宇宙中其他地方卻難以生存)，就是它上面的物質(zhì)形態(tài)特別的與眾不同。地球上司空見慣的物質(zhì)三態(tài)——固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)，在宇宙中卻極為罕見，物質(zhì)第四態(tài)——等離子態(tài)，是宇宙中極多的狀態(tài)。這實在是個奇怪的現(xiàn)象。

  更有意思的是，當(dāng)我們讓物質(zhì)不斷地冷下去、冷下去……不可思議的新物質(zhì)形態(tài)又出現(xiàn)了。這種在地球上只能出現(xiàn)于條件嚴(yán)格的實驗室中的物質(zhì)形態(tài)，會在宇宙的某個角落隨意飄蕩嗎？

  從物質(zhì)三態(tài)到第四態(tài)

  石頭、鐵塊等物體既堅硬又不易揮發(fā)，這就是作為固體物質(zhì)的基本特性之一。我們?nèi)祟惥幼≡谝粋€絕大部分由這些固態(tài)物質(zhì)組成的天地里。當(dāng)然，我們一樣離不開水和空氣，它們分別屬于液態(tài)和氣態(tài)物質(zhì)中的一類，相比較而言，這些柔軟而易揮發(fā)的物質(zhì)在我們生存的環(huán)境中占據(jù)的比例更大，對我們生活的影響其實也更大：在科幻故事中，人類依然可以生活在未來水世界上，卻無法生活在全部由巖石構(gòu)成的世界之中。

  物質(zhì)的三態(tài)之間的轉(zhuǎn)換很早就被人類認(rèn)識到了，它們是不同溫度下的狀態(tài)，由所謂的冰點和熔點決定各自產(chǎn)生轉(zhuǎn)換的溫度。100多年前，人類對物質(zhì)狀態(tài)的認(rèn)識基本上僅只于此。雖然亞里士多德在2000多年前就發(fā)現(xiàn)世界的組成除了這三態(tài)以外還包括火，但他也不清楚火究竟是一種什么物質(zhì)？其實這就是物質(zhì)的第四種狀態(tài)——等離子體的一種表現(xiàn)形式。

  如果把氣體持續(xù)加熱幾千甚至上萬度時，物質(zhì)會呈現(xiàn)出一種什么樣的狀態(tài)呢？這時，氣體原子的外層電子會擺脫原子核的束縛成為自由電子，失去外層電子的原子變成帶電的離子，這個過程稱為電離。所謂“電離”，其實就是電子離開原子核的意思。除了加熱能使原子電離(熱電離)外，還可通過電子吸收光子能量發(fā)生電離(光電離)，或者使帶電粒子在電場中加速獲得能量與氣體原子碰撞發(fā)生能量交換，從而使氣體電離(碰撞電離)。發(fā)生電離(無論是部分電離還是電離)的氣體稱之為等離子體(或等離子態(tài))。等離子體的行為與固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)截然不同，因此稱之為物質(zhì)第四態(tài)。

  等離子體的存在機(jī)理是怎樣的呢？物質(zhì)是由分子或者原子組成的，而分子也是由原子組成。原子都由原子核和繞核高速運動的電子構(gòu)成。原子核帶正電，電子帶負(fù)電，正、負(fù)電數(shù)量相等，整個原子對外不顯電性。電子之所以繞核運動，因為它的能量不足以掙脫核的束縛力。如果不停地給物質(zhì)加熱，當(dāng)溫度升高到數(shù)十萬度甚至更高，或者用較高電壓的電激，電子就能獲得足夠逃逸的能量，從原子核上剝落下來，成為自由運動的電子。這就像一群下課后的學(xué)生跑到操場上隨意玩耍一樣。這時物質(zhì)就成為由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成的一團(tuán)勻漿，人們戲稱它“離子漿”。這些離子漿中正負(fù)電荷總量相等，因此又叫等離子體。

  等離子體的物質(zhì)密度跨度極大，從10的3次方個／立方厘米的稀薄星際等離子體到密度為10的22次方個／立方厘米的電弧放電等離子體，跨越近20個數(shù)量級；溫度分布范圍則從100 K(—173.15°C)的低溫到超高溫核聚變等離子體的10的8次方—10的9次方K。

  等離子體在我們的宇宙中大量存在，從一根蠟燭燃起的火苗到滋生萬物的太陽，從閃爍的星星到燦爛的星系。就在我們周圍，在日光燈和霓虹燈的燈管里，在眩目的白熾電弧里，都能找到它的蹤跡；另外，在地球大氣層的電離層里，在美麗的極光和流星的尾巴里，也能找到奇妙的等離子態(tài)；放眼宇宙，更是等離子體的天下，宇宙中大部分發(fā)光的星球內(nèi)部溫度和壓力都很高，這些星球內(nèi)部的物質(zhì)差不多都處于等離子態(tài)，像太陽這樣灼熱的恒星就是一團(tuán)巨大的等離子體。只有那些昏暗的行星和分散的星際物質(zhì)里才可以找到固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的物質(zhì)。據(jù)印度天體物理學(xué)家沙哈的計算，宇宙中99%的物質(zhì)都處于等離子體狀態(tài)，而地球上常見的物質(zhì)狀態(tài)在宇宙中卻成為稀罕寶貝。

  這是為什么呢？原來是地球演化到今日，已成為一顆冷行星。實際上，室溫下物質(zhì)的電離成分可以忽略不計，即使溫度上升到一萬度，電離成分也不過千萬分之一！

  等離子體的研究主要分為高溫和低溫等離子體兩大方面。

  高溫等離子體中的粒子溫度高達(dá)上千萬以至上億度，可以使粒子有足夠的能量互相碰撞，達(dá)到核聚變反應(yīng)。就是人類歷次成功應(yīng)用高溫等離子體的產(chǎn)物。是用作為“引信”，發(fā)出高熱，從而產(chǎn)生高溫等離子體，引發(fā)猛烈的核聚變，釋放巨大的破壞性能量。

  核聚變?nèi)绻糜诤推侥康模哑渥兂梢环N新能源，那么核聚變就必須是緩慢地、持續(xù)地、可以控制地進(jìn)行，這正是半個世紀(jì)以來高溫等離子體物理研究的重點。

  空間等離子體研究也是高溫等離子體研究的一個重要部分。宇宙中99%以上的物質(zhì)均是等離子體，而我們的太陽也就是一團(tuán)巨大的等離子體，因此空間等離子體研究在宇航時代具有極其重要的作用。

  一般來說，人們把溫度在10萬度以下的等離子體稱為低溫等離子體，低溫等離子體大多是弱電離、多成分、并與其它物質(zhì)有強烈的相互作用。低溫等離子體能夠由人類的技術(shù)來產(chǎn)生，因此被廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的許多領(lǐng)域?，F(xiàn)在，低溫等離子體技術(shù)已經(jīng)成為非常*的工業(yè)加工技術(shù)，例如未來所有的超大規(guī)模集成電路，都將依靠等離子體加工；航天、冶煉、切割、噴涂等領(lǐng)域都需要低溫等離子體技術(shù)。

  原子——物質(zhì)第五態(tài)

  如果物質(zhì)不斷冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去，比如說，接近零度(-273.16℃)吧，在這樣的極低溫下，物質(zhì)又會出現(xiàn)什么奇異的狀態(tài)呢？

  這時，奇跡出現(xiàn)了——所有的原子似乎都變成了同一個原子，再也分不出你我他了！這就是物質(zhì)第五態(tài)——玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)(以下簡稱“玻愛凝聚態(tài)”)。

  這個新的第五態(tài)的發(fā)現(xiàn)還得從1924年說起，那一年，年輕的印度物理學(xué)家玻色寄給愛因斯坦一篇論文，提出了一種關(guān)于原子的新的理論，在傳統(tǒng)理論中，人們假定一個體系中所有的原子(或分子)都是可以辨別的，我們可以給一個原子取名張三，另一個取名李四……，并且不會將張三認(rèn)成李四，也不會將李四認(rèn)成張三。然而玻色卻挑戰(zhàn)了上面的假定，認(rèn)為在原子尺度上我們根本不可能區(qū)分兩個同類原子(如兩個氧原子)有什么不同。

  玻色的論文引起了愛因斯坦的高度重視，他將玻色的理論用于原子氣體中，進(jìn)而推測，在正常溫度下，原子可以處于任何一個能級(能級是指原子的能量像臺階一樣從低到高排列)，但在非常低的溫度下，大部分原子會突然跌落到的能級上，就好像一座突然坍塌的大樓一樣。處于這種狀態(tài)的大量原子的行為像一個大超級原子。打個比方，練兵場上散亂的士兵突然接到指揮官的命令“向前齊步走”，于是他們迅速集合起來，像一個士兵一樣整齊地向前走去。后來物理界將物質(zhì)的這一狀態(tài)稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)(BEC)，它表示原來不同狀態(tài)的原子突然“凝聚”到同一狀態(tài)。這就是嶄新的玻愛凝聚態(tài)。

  然而，實現(xiàn)玻愛凝聚態(tài)的條件極為苛刻和矛盾：一方面需要達(dá)到極低的溫度，另一方面還需要原子體系處于氣態(tài)。極低溫下的物質(zhì)如何能保持氣態(tài)呢？這實在令無數(shù)科學(xué)家頭疼不已。

  后來物理學(xué)家使用稀薄的金屬原子氣體，金屬原子氣體有一個很好的特性：不會因制冷出現(xiàn)液態(tài)，更不會高度聚集形成常規(guī)的固體。實驗對象找到了，下一步就是創(chuàng)造出可以冷卻到足夠低溫度的條件。由于激光冷卻技術(shù)的發(fā)展，人們可以制造出與零度僅僅相差十億分之一度的低溫。并且利用電磁操縱的磁阱技術(shù)可以對任意金屬物體實行無觸移動。這樣的實驗系統(tǒng)經(jīng)過不斷改進(jìn)，終于在玻色—愛因斯坦凝聚理論提出71年之后的1995年6月，兩名美國科學(xué)家康奈爾、維曼以及德國科學(xué)家克特勒分別在銣原子蒸氣中次直接觀測到了玻愛凝聚態(tài)。這三位科學(xué)家也因此而榮膺2001年度諾貝爾物理學(xué)獎。此后，這個領(lǐng)域經(jīng)歷著爆發(fā)性的發(fā)展，目前世界上己有近30個研究組在稀薄原子氣中實現(xiàn)了玻愛凝聚態(tài)。

  玻愛凝聚態(tài)有很多奇特的性質(zhì)，請看以下幾個方面：

  這些原子組成的集體步調(diào)非常一致，因此內(nèi)部沒有任何阻力。激光就是光子的玻愛凝聚，在一束細(xì)小的激光里擁擠著非常多的顏色和方向一致的光子流。超導(dǎo)和超流也都是玻愛凝聚的結(jié)果。

  玻愛凝聚態(tài)的凝聚效應(yīng)可以形成一束沿一定方向傳播的宏觀電子對波，這種波帶電，傳播中形成一束宏觀電流而無需電壓。

  原子凝聚體中的原子幾乎不動，可以用來設(shè)計精確度更高的原子鐘，以應(yīng)用于太空航行和精確定位等。

  玻愛凝聚態(tài)的原子物質(zhì)表現(xiàn)出了光子一樣的特性正是利用這種特性，前年哈佛大學(xué)的兩個研究小組用玻色-愛因斯坦凝聚體使光的速度降為零，將光儲存了起來。

  玻愛凝聚態(tài)的研究也可以延伸到其他領(lǐng)域，例如，利用磁場調(diào)控原子之間的相互作用，可以在物質(zhì)第五態(tài)中產(chǎn)生類似于超新星爆發(fā)的現(xiàn)象，甚至還可以用玻色-愛因斯坦凝聚體來模擬黑洞。

  隨著對玻愛凝聚態(tài)研究的深入，又一次的技術(shù)革命的號角已經(jīng)吹響。

  突破第五態(tài)，創(chuàng)造第六態(tài)

  物質(zhì)形態(tài)到此就結(jié)束了嗎？還沒有。

  在過去幾年內(nèi)，玻愛凝聚態(tài)只能由一類原子形成，這就是玻色子，而費米子是不能形成的。什么是費米子？什么是玻色子？我們需要先走入由基本粒子組成的原子世界。

  很早以前，人們就知道原子是由電子和原子核組成，而原子核又由質(zhì)子和中子組成。20世紀(jì)初，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了正電子和光子，開始探尋更小的粒子，發(fā)現(xiàn)原子核還可以分成更小的“小不點兒”：中微子、介子、超子、變子等等，物理學(xué)家把它們統(tǒng)稱為“基本粒子”。早期發(fā)現(xiàn)的基本粒子根據(jù)各自遇到的“力”可以被分為4類：光子，輕子，介子和重子。20世紀(jì)80年代又發(fā)現(xiàn)了膠子，W玻色子和Z玻色子。這些基本粒子在宇宙中的“用途”可以這樣表述：構(gòu)成實物的粒子(輕子和重子)和傳遞作用力的粒子(光子、介子、膠子、W和Z玻色子)。在這樣的一個量子世界里，所有的成員都有標(biāo)定各自基本特性的四種量子屬性：質(zhì)量、能量、磁矩和自旋。

  這四種屬性當(dāng)中，自旋的屬性是最重要的，它把不同將粒子王國分成截然不同的兩類，就好像這個世界上因為性別將人類分成了男人和女人一樣意義重大。粒子的自旋不像地球自轉(zhuǎn)那樣是連續(xù)的，而是是一跳一跳地旋轉(zhuǎn)著的。根據(jù)自旋倍數(shù)的不同，科學(xué)家把基本粒子分為玻色子和費米子兩大類。費米子是像電子一樣的粒子，有半整數(shù)自旋(如1/2，3/2，5/2等)；而玻色子是像光子一樣的粒子，有整數(shù)自旋(如0，1，2等)。這種自旋差異使費米子和玻色子有不同的特性。沒有任何兩個費米子能有同樣的量子態(tài)：它們沒有相同的特性，也不能在同一時間處于同一地點；而玻色子卻能夠具有相同的特性。

  基本粒子中所有的物質(zhì)粒子都是費米子，是構(gòu)成物質(zhì)的原材料(如輕子中的電子、組成質(zhì)子和中子的夸克、中微子)；而傳遞作用力的粒子(光子、介子、膠子、W和Z玻色子)都是玻色子。

  玻色子在我們的宇宙只占了一半的份額，剩下一半是由費米子組成的物質(zhì)世界。玻愛凝聚態(tài)只能由玻色子來形成實在是太遺憾了。那么為什么費米子無法形成玻愛凝聚態(tài)呢？

  意大利物理學(xué)家恩里科·費米和美國物理學(xué)家狄拉克指出：由于費米子具有半整數(shù)自旋，他們的相互作用會遵循泡利不相容原理(這條規(guī)則不適用于玻色子)。這條原理指出：任何兩個費米子都不可能具有同樣的量子態(tài)，從而在空間排布上，無法處在同一位置，當(dāng)一個費米子占據(jù)了的能級以后，其它的費米子只能依次往外排列了。這條非常重要的原理排除了很緊密地擠在一起的費米子群的可能性，所以即使在零度時，這些費米子仍然不能達(dá)到全同而凝聚起來，這些細(xì)微的差異導(dǎo)致他們走在一起時總是先來靠里，后來者往外排隊的現(xiàn)象。

  但是費米子占據(jù)了我們宇宙太重要的地位，它是物質(zhì)世界的基石。此外，人類長久以來尋求的高溫超導(dǎo)夢想仍然無法從理論上得到突破，至今人類一直無法突破—135°C以上的界限而使超導(dǎo)發(fā)生。電子作為費米子的一類，如果了解了原子費米子凝聚的機(jī)理，對電子費米子的凝聚秘密將揭示出來。并且費米冷凝體中的可見實物原子對非常相似地模擬了超導(dǎo)體中電子對的組成，成為一個看得見的工具，人們再也不必從純粹的想象中尋找超導(dǎo)秘密的暗道。

  比夢更離奇的狂想曲

  當(dāng)前世界，粒子與凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域的物理學(xué)家夢寐以求的這種物質(zhì)狀態(tài)就是所謂的“費米子凝聚態(tài)”，費米子凝聚態(tài)，從語意分析來說，費米子的物理含義是不能被聚集在一個量子基態(tài)的粒子，而凝聚態(tài)則表示粒子沉積在一個能量級別上。這個名詞本身是一對矛盾，但奇妙的就是現(xiàn)實與理論的矛盾沖突被天才的技巧平復(fù)了。

  解決這個矛盾首先來自超導(dǎo)現(xiàn)象的啟發(fā)。巴丁、庫珀和施里弗(他們共同榮獲1972年諾貝爾物理學(xué)獎)提出一個對金屬的超導(dǎo)進(jìn)行解釋的理論——BCS理論，其基本思想是，在極低溫下的金屬中的電子費米子，會彼此結(jié)合成對，這種電子對稱為庫柏對。結(jié)合成庫柏對的電子費米子表現(xiàn)出玻色子的特性，這樣，物理學(xué)家就找到了一個制造“費米子凝聚態(tài)”的方法。他們將費米子成對轉(zhuǎn)變成玻色子，兩個半整數(shù)自旋組成一個整數(shù)自旋，費米子對就起到了玻色子的作用，所有氣體突然冷凝至玻愛凝聚態(tài)。

  既然電子可以這樣行事，為什么原子不可以呢？運用這個理論，科學(xué)家們開始對另一種費米子3He同位素進(jìn)行實驗。后來果然發(fā)現(xiàn)了3He的玻愛凝聚態(tài)所導(dǎo)致的超流現(xiàn)象：超流液態(tài)氦被小心注入燒杯的時，它會立即從底部沿著燒杯壁向上“爬出”杯口而漫溢出來！但是這種冷凝所涉及的機(jī)理非常復(fù)雜。

  這畢竟是一個成功的開始。德博拉·吉恩堅信采用這個途徑可以達(dá)到目的。他們首先成功地實現(xiàn)了鉀-40原子氣體的費米冷凝，這些被冷凝的氣體有一個特殊的名字——簡并費米氣體。簡并費米氣體中包含有兩種不同自旋方向的費米子，它們可以用來形成原子對而成為類玻色子的二元體。這是一種非常規(guī)意義上的量子氣態(tài)物質(zhì)，是通向費米冷凝體的必經(jīng)之路。制造它們也是一個高難度的冷凝過程，當(dāng)溫度降到10億分之一K以下時，這些原子仍然沒有由于過強的原子作用而形成凝聚態(tài)。

  如何將這些信奉“終身獨立”的費米子勸說組成庫柏對，進(jìn)而形成凝聚態(tài)呢？他們采用了一個魔術(shù)般的磁場，50納開氏溫度(與溫度只差0.K)下，當(dāng)磁場達(dá)到某一個特定的頻率時，超冷的費米子氣體開始發(fā)生核磁共振，好像在一場交誼舞中慢慢地尋找各自的舞伴。此時磁場快速撤離，外圍尚未成對的費米子因失去束縛迅速散開，攜帶走熱量導(dǎo)致中心部位進(jìn)一步冷凝。一個奇妙的現(xiàn)象終于發(fā)生了：穿過費米氣體中心的探測光波像打到一個晶體上一樣發(fā)生了衍射，而氣體是不會對光波產(chǎn)生衍射的。德博拉·吉恩相信：一種神奇的固體物質(zhì)一定已經(jīng)誕生了。后來的原子陣列顯微觀測發(fā)現(xiàn)，冷凝體中約50萬個鉀原子費米子確實形成了一對對的庫柏對。

  費米子凝聚態(tài)與超導(dǎo)中的電子費米子冷凝體不一樣的是，前者是實實在在的原子冷凝，后者是沒有質(zhì)量的虛空的電子冷凝；前者是一個可見的原子超流流體，后者則是金屬中的電子超流體?？茖W(xué)家們把這樣的物質(zhì)狀態(tài)又叫做超導(dǎo)體與玻愛冷凝體的中間狀態(tài)。

  費米子凝聚態(tài)與超導(dǎo)體有哪些不同呢？首先，費米冷凝體所使用的原子比電子重得多，其次是原子對之間吸引力比超導(dǎo)體中電子對的吸引力強得多，在同等密度下，如果使超導(dǎo)體中電子對的吸引力達(dá)到費米體中原子對的程度，制造出常溫下的超導(dǎo)體立即可以實現(xiàn)。超冷氣體中形成費米體為研究超導(dǎo)的機(jī)理提供了一個嶄新的物質(zhì)工具，因此，這項成果有助于下一代全新超導(dǎo)體的誕生。而下一代超導(dǎo)體技術(shù)可在電能輸送、超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)計算機(jī)、地球物理勘探、生物磁學(xué)、高能物理研究等眾多領(lǐng)域和學(xué)科中大顯身手。

  當(dāng)然，現(xiàn)在的技術(shù)并不能使所有費米子都可以發(fā)生費米冷凝，而且所獲得的冷凝體還相當(dāng)脆弱——比玻璃還要脆！但這只是技術(shù)問題。

  [資料]

  一位獲得2003年“天才獎金”的科學(xué)家

  世界上每天都有新的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，但我們的眼睛最關(guān)注的只是那些給人類的認(rèn)識與創(chuàng)造能力將帶來革命性改變的偉大發(fā)現(xiàn)。在2004年1月28號，有一位科學(xué)家向宣告了這樣一個革命性的創(chuàng)舉，創(chuàng)造出世界上一種全新的物質(zhì)。這種物質(zhì)是對一個基本理論的挑戰(zhàn)，是實現(xiàn)量子世界宏觀化的前夜。她就是——

  德博拉·吉恩，一位年僅34歲的美國女科學(xué)家，因為她的研究小組在1999年創(chuàng)造出一種新的量子氣體物質(zhì)——簡并費米氣體，在2003年獲得了被科學(xué)家通常認(rèn)為只有天才才能獲得的“麥克阿瑟獎金”。這個獎金選擇獲獎?wù)呔哂腥齻€苛刻的條件：超乎異常的創(chuàng)造力；已經(jīng)做出重大成就，并承諾將取得更大的突破；其工作將促進(jìn)一系列創(chuàng)造性的工作產(chǎn)生。

  這種使當(dāng)年被譽為分子年的神秘量子氣體——百萬分之對溫度下瀕于冷凝的費米子，究竟有什么特點呢？這是人類將理論上預(yù)言不可冷凝的一類原子極度接近凝固而變得像可以發(fā)射的光波，朝著突破理論的極限邁出了一大步。這個成就所帶來的世界改變，人們粗略預(yù)測，僅僅最近幾年，一種從未制造過的極度精準(zhǔn)的原子鐘和由實體原子物質(zhì)組成的激光將因此而被發(fā)明。剛剛邁入2004年，這個已經(jīng)處于世界前沿的科學(xué)壯舉在這位天才科學(xué)家的努力之下，讓人驚異地又前進(jìn)了一大步：人類創(chuàng)造出理論上預(yù)言不可實現(xiàn)的費米冷凝體固體物質(zhì)。這是繼人類于1995年創(chuàng)造第五種物質(zhì)形態(tài)——玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)(英文縮寫為BEC)以后，創(chuàng)造出的第六種物質(zhì)形態(tài)。人類長久以來夢寐以求的常溫下的超導(dǎo)體，將會按照這項工作所指明的方向很快被制造出來。在驚嘆一個新世界誕生之際，我們再一次信服“天才獎金”名不虛傳。