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... 在傳統意義上，我們都知道物質存在的三種狀態：固體、液體和氣體。這是一個理解我們存在的物理世界的簡單方法。 當然了，如果你還記得一點高中時的科學知識，你可能會想起物質的第四種狀態：「等離子體」。如果你關注科學新聞，你可能還聽說過另一種「玻色-愛因斯坦凝聚態」，物質的第五種狀態。 但是，簡併物質呢？拓撲超導體？時間晶體？是的，這些都是物質的合法狀態（或階段；這些術語是可以互換的），儘管我們在日常生活中是不會遇到這些狀態的。 事實上，物理學家們還知道物質的許多狀態，這個數字可能有幾千個。而且，他們一直在尋找新的，可能有數以百萬計的潛在狀態需要尋找。 當然，最基本的三個狀態早以顯而易見。但在19世紀下半葉，當電實驗首次開始產生等離子體時，可能存在更多等離子體的想法被證明是正確的。1924年，首次在理論上提出的玻色-愛因斯坦凝聚態緊隨其後，我們對物理學不斷擴大的理解很快就清楚地表明，即使是日常生活中，物質的狀態也比我們可能意識到的要多得多。 對於物理學家來說，冰箱上的磁鐵與冰箱本身是不同的物質。 一個酒杯和它所坐的木架子同樣代表著兩種不同的物質狀態。 實際上，物質的狀態只是指原子或組成粒子的排列方式。這個順序會產生不同的性質。例如，在固體中，分子被排列成晶格結構，這就增加了材料的剛性。在液體中，分子間相互流動，但它們不能像在氣體中那樣輕易地相互靠近或遠離。在等離子體中，分子像氣體一樣流動，但它們的電子可以自由移動，這使得它們可以很容易地導電。 物質有無數的排列方式。例如，有230個「空間組」，也就是分子在固體中形成三維晶體結構的方式。每一種物質都有自己的形式。根據它們的電子排列方式，這230個中的每一個都可以是導體或絕緣體，這也會使它成為不同形式的物質。 當溫度變得非常熱或非常冷，壓力非常大時，正常物質可以變形為具有天然特性的奇異狀態。例如，在中子星內部，原子核可能會被壓縮成一種稱為「簡併物質」的物質，電子和質子被迫結合在一起形成中子，甚至進一步凝聚成僅由基本粒子組成的夸克-膠子等離子體。在光譜的另一端，當分子的溫度接近絕對零度時，量子力學開始在宏觀尺度上可見。當一堆原子被冷卻到接近絕對零度時，就會形成玻色-愛因斯坦凝聚態，就好像它們是單個原子一樣。這賦予了它們獨特的特性，比如，完全沒有粘性，這意味著你可以在其中製造出永遠旋轉的小漩渦。 阿姆斯特丹大學凝聚態理論教授賈斯帕·范·韋策爾表示，我們不斷發現物質的新狀態，其實原因很簡單，因為有太多的物質有待發現。原子、分子或任何你可以用來排序的東西都有這些特性，只是需要時間來考慮所有的可能性。 隨著技術的進步，科學家們能夠在更極端的條件下進行實驗，而且精確度更高。例如，我們現在可以看到，不同物質中的粒子有不同的自旋。自旋是粒子固有的特性，它產生了磁力。 賈斯帕·范·韋策爾教授舉例解釋道，在20世紀50年代，你只需要測量磁化強度，然後說，「看，這兩個都是磁性的，我可以把它們都貼在冰箱上」。但現在，我們有了研究材料的工具，可以觀察每一個單獨的自旋，我們可以說，「看，它們都是有磁性的，但在這個例子中，每轉三圈翻轉一次，而在那個例子中不是，所以它們是不同的。」 有了這些新發現的知識，物理學家就有可能操縱這些自旋來創造出具有全新性質的材料。 找到使用物質的不同方法的可能性，也是物理學家如此癡迷於發現新狀態的原因之一，同時也是發現新狀態如此令人興奮的原因之一。 萊斯大學物理系的教授卡登·哈扎德說：「每次當我們發現物質的新狀態，它都會給我們一套以前任何物質狀態都無法想像的特性。就好比，如果你所擁有的只是液體，而有人遞給你一塊磚，突然間你就有了抵抗過去無法抵抗的東西的能力。」 例如，當一些材料被冷卻到非常低的溫度時，它們可以變成超導體，這意味著它們可以零電阻地傳輸電流。如果將這一技術應用於商業領域，那麼使用超導體製成的電力線可以將電力輸送到您的家中，而不會造成任何損失，或者計算機的效率要高得多。 最近發現的一種被稱為拓撲超導體的物質狀態，其內部起著電絕緣體的作用，但其邊緣是導電的。這種獨特的能力可以應用在量子計算機上，以保護存儲信息的脆弱量子位。 其實，物質可能還有更多令人興奮的性質我們還沒有發現，但物理學家認為它們是應該存在。例如，長期以來，室溫超導體一直被認為是凝聚態物理學的「聖杯」。這種材料將徹底改變我們使用電的方式（幾乎所有的東西）。 物理學家們熱衷研究的另一類物質是量子自旋液體。在量子自旋液體中，粒子的自旋開始相互影響，以一種意想不到的方式產生磁性。這類物質可能會製造出更好的量子計算機，甚至有助於創造室溫超導體。 有時候，物理學家們還必須反其道而行之，而不僅僅是去尋找理論上應該存在的材料：試圖解釋他們所創造的東西為什麼以他們認為不可能的方式運作。 在這方面，或許最好的例子就是分數量子霍爾效應。想像一束電子在二維材料上的磁場中運動。與系統相關的電荷應該是e，即電子攜帶的電荷。但當科學家測量時，他們發現電荷正是e除以3。這簡直讓科學家們大吃一驚，因為裡面沒有任何東西的電荷低於e。對此，卡登·哈扎德教授形象的把這比作一堆撞球扔到了撞球桌上，看著它們在桌面上滾動，不知何故，這些移動的球，重量只有撞球正常重量的三分之一。 用撞球來形容這個現象，可能會有些荒謬，但在量子層面上，事情就不一樣了。結果是，當電子一起運動時，它們的運動使它們的行為就好像攜帶了實際電荷的三分之一。這也意味著電子已經成為一種全新的物質狀態。 這樣的發現使尋找物質的形式成為物理學家尋找財富的一種方式。物理學定律中肯定隱藏著更多意想不到的性質。它們只等著粒子的正確排列和物理狀態的融合躍入存在，再一次給予我們以前從未夢想過的能力。 這樣的發現，使尋找物質的新狀態成為了物理學家的一種尋寶行為。他們相信，物理定律中肯定隱藏著更多意想不到的特性。它們只是在等待著粒子的正確排列和物理狀態的匯合，然後躍然而生，再一次賦予我們以前從未夢想過的新能力。 如果朋友們喜歡，敬請關注「知新了了」！

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文章來源取自於：

每日頭條 https://kknews.cc/science/254o5x9.html

博客來 https://www.books.com.tw/exep/assp.php/888words/products/0010794572

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