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颜相宁:物质的形态还有第五、六、七、八···种?
颜相宁:物质的形态还有第五、六、七、八···种?
来源:中科院半导体所 | 4/2/2019 7:37:25 AM | 浏览:201 | 评论:0

颜相宁:物质的形态还有第五、六、七、八···种?

在以前的课本上我们学过,水有3态:冰、水、水蒸气;你要知道,不仅是水,自然界中大部分物质常见的形态都是这3种:固态、液态、气态。但是,随着科技的发展,人们发现:其实物质并非只局限在3种形态之中。

第四态——等离子态

原子是由原子核和电子组成的,通常情况下电子都围绕着原子核旋转。但是在高温下,气体的原子开始发生电离:原子核周围的电子脱附,变成游离态的电子;原子也成为带正电的离子。

颜相宁:物质的形态还有第五、六、七、八···种?

科学家这种电离化的状态称为:等离子态。等离子态的物质整体呈现电中性的,即其内部正负电荷数相等。其实,除了高温,通过紫外线、X射线等射线照射,也可以使物质转变成等离子态。

如果你说在广漠无边的宇宙中,它是最普遍存在的一种形态。因为宇宙中所有的恒星,都是等离子态,处于极高的温度、压强之中。

颜相宁:物质的形态还有第五、六、七、八···种?

如果说宇宙太遥不可及了,在我们身边也存在等离子态物质,它就是——火焰(最高温的某一部分)🔥。

第五态——超固态

(另一种说法玻色—爱因斯坦凝聚态)

2016年1月,英国爱丁堡大学科学家利用钻石对顶砧制造出某种极端高压状态,生成“第五状态氢”,即超固态氢。

颜相宁:物质的形态还有第五、六、七、八···种?

从此,超固态被认为是物质的第五态。当物质处于在极高的大气压下,其原子就可能被“压碎”。原子核周围的电子全部被“挤出”原子,形成电子气体,裸露的原子核、电子都紧密地排列,物质密度极大。

超固态的理论也能很好的解释宇宙中的白矮星,这种恒星体积极小,但是质量非常大。白矮星表面的温度普遍为8000K以上,其内部温度更高,压力也非常大,所以星体组成状态很可能是超固态。当然白矮星密度也大的惊人,能达到1,000,000 g/cm3(地球密度为5.5g/cm3)。

颜相宁:物质的形态还有第五、六、七、八···种?

玻色—爱因斯坦凝聚态
另一种物质第五态的叫法是玻色—爱因斯坦凝聚态。而这个名称还有一个小故事呢~

1924年,年轻的印度物理学家玻色寄给爱因斯坦一篇论文,提出了一种新的统计理论,用于探讨原子的排列问题。这套理论引起了爱因斯坦的高度重视,他迅速帮玻色译成德文发表,并且将玻色的理论用于原子气体中,进而推测在足够低的温度下, 所有原子有可能处在相同的最低能态上,所有的原子的行为像一个粒子一样,这将是一种全新的物质状态。

1995年,麻省理工学院的沃夫冈·凯特利与科罗拉多大学鲍尔德分校的埃里克·康奈尔和卡尔·威曼使用气态的铷原子在170 nK(1.7×10−7K)的低温下首次获得物质的这种不寻常的状态。

玻色–爱因斯坦凝聚是玻色子原子在冷却到接近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质状态(物态)。在这种状态下,几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态,形成一个宏观的量子状态。

颜相宁:物质的形态还有第五、六、七、八···种?

第六态——辐射场态

(另一种说法是费米子凝聚态)

1851年,英国物理学家法拉第最早提出了场的概念。本世纪六十年代的天文观测发现,在整个宇宙空间(包括真空)始终存在着3K微波背景辐射。

颜相宁:物质的形态还有第五、六、七、八···种?

人们把自然界的物质划分为实物和场两大形态,场包括电磁场和引力场等。自然界不存在没有物质的空间,即使是真空,也并非空无一物。因为还有一种看不见的物质——场。

这种具有辐射作用的引力场和电磁场(包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线和γ射线等),人们称之为辐射场态物质,又叫真空场态物质,也就是物质的第六态。

颜相宁:物质的形态还有第五、六、七、八···种?

另一种说法是费米子凝聚态
2009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(第五态“玻色一爱因斯坦凝聚态”就是他们首先宣布制造出来的)宣布,他们创造出物质的第六种形态,即“费米子凝聚态”

颜相宁:物质的形态还有第五、六、七、八···种?

与“玻色一爱因斯坦凝聚态”一样,“费米子凝聚态”也是物质在量子状态下的形态。但是由于泡利不相容原理,不同的费米子不能占据同一量子态,因此费米子不能像玻色子那样直接形成玻色-爱因斯坦凝聚态。

所以,当物质冷却时,费米子逐渐占据最低能态,但它们处在不同的能态上,就像人群涌向一段狭窄的楼梯,所以,整条楼梯从高处到低处,依次沾满了人。这种状态称作“费米子凝聚态”。

第七态——反物质

1932年,美国物理学家安德森通过宇宙射线的实验,发现了电子的反粒子——正电子e+。1955年和1956年,美国物理学家西格里和张伯伦等人相继发现了质子和中子的反粒子——反质子和反中子。后来,现代物理学又发现了反氘核和反氚核。

颜相宁:物质的形态还有第五、六、七、八···种?

阴阳,正反,就如同道家老子的思想——“万物负阴而抱阳,冲气以为和”(《道德经》),矛盾普遍存在,万物对立且统一。

同理,科学家推测:物质世界中存在着一种很基本的对称性。在微观物质世界里,所有的粒子也都有与之对应的反粒子存在,并在某种条件下发生粒子的转化。所以,在宇宙的某些空间可能存在一种完全由反粒子组成的物质,这种物质称为反物质,也就是物质的第七态。

第八态——暗物质

近年来,天文学领域的研究发现:在宇宙星系外围有层质量很大的暗物质。这些暗物质占了宇宙质量的绝大部分,也具有很高的能量。

取名叫“暗物质”的含义就是:现代科学手段中,包括光学、红外、放射等手段,都无法推测出其能量的物质。

直到如今,以下问题都还没有一个合理的解答:暗物质究竟是什么?他的物质形态如何?其物质形态如何转化?在什么条件下可以发生转化?

颜相宁:物质的形态还有第五、六、七、八···种?

暗物质如同神秘莫测的幽灵,在黑暗的宇宙空间之中,正等待着第一位揭开它面纱的勇士。

宇宙是无穷无尽的,物质的的存在形态也是千变万化的。但万变不离其宗,可以肯定的是:宇宙的奥秘将永远无穷无尽,所以未来还可能有第九种、第十种物质形态···等待被人类发现,为人类所用。


参考文献:

[1]姜寅,马永亮,庄鹏飞.高温高密度时的新物质形态[J].科学通报, 2018,63(24):2465-2473.   

[2].科学家发现氢存在一种全新物质形态[J].低温与特气,2016,34(01):38.   

[3]黄涛, 郑志鹏.《中国大百科全书》玻色–爱因斯坦凝聚[M].中国大百科全书出版社, 2009,74(02):30.

[4]灵遁者国学. 玻色—爱因斯坦凝聚态,世界不是你想象的那样![EB/OL].https://item.btime.com/46fmuoj4m3a8j988h3o894tkcs0?from=haozcxw&page=1, 2017-08-12.

[5]灵遁者国学. 费米子凝聚态,原本大家认为不可能![EB/OL] https://item.btime.com/41n746ft2rc8e7qdkbvfov5ruj3?from=haozcxw, 2017-08-17.

[6]xiexie. 物质的形态超乎你的想象!固、液、气三态以外的12种物质形态[EB/OL].http://blog.sina.com.cn/s/blog_64b99ede0102xb9o.html, 2017-11-02.

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