2010/09/11
物質第四態、第五態、費米子、玻色子
物質三態——固態、液態、氣態，在宇宙中卻極為罕見，物質第四態——等離子態，是宇宙中極多的狀態。這更有意思的是，當我們讓物質不斷地冷下去、冷下去……不可思議的新物質形態又出現了。
從物質三態到第四態
如果把氣體持續加熱幾千甚至上萬度時，物質會呈現出一種什麼樣的狀態呢？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生能量交換，從而使氣體電離(碰撞電離)。發生電離(無論是部分電離還是完全電離)的氣體稱之為等離子體(或等離子態)。等離子體的獨特行為與固態、液態、氣態截然不同，因此稱之為物質第四態。
等
離子體的存在機理是怎樣的呢？物質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成。原子核帶正電，電子帶負電，
正、負電數量相等，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。如果不停地給物質加熱，當溫度升高到數十萬度甚至更
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。這就像一群下課後的學生跑到操場上隨意玩耍一樣。這時
物質就成為由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的一團勻漿，人們戲稱它「離子漿」。這些離子漿中正負電荷總量相等，因此又叫等離子體。
等離子體的物質密度跨度極大，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個數量級；溫度分佈範圍則從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上千萬以至上億度，可以使粒子有足夠的能量互相碰撞，達到核聚變反應。氫彈就是人類歷史上第一次成功應用高溫等離子體的產物。氫彈是用原子彈作為「引信」，發出高熱，從而產生高溫等離子體，引發猛烈的核聚變，釋放巨大的破壞性能量。
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、並與其它物質有強烈的相互作用。低溫等離子體能夠由人類的技術來產生，因此被廣泛
應用於科學技術和工業的許多領域。現在，低溫等離子體技術已經成為非常先進的工業加工技術，例如未來所有的超大規模集成電路，都將依靠等離子體加工；航
天、冶煉、切割、噴塗等領域都需要低溫等離子體技術。
超級大原子——物質第五態
如果物質不斷冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去，比如說，接近絕對零度(-273.16℃ )吧，在這樣的極低溫下，物質又會出現什麼奇異的狀態呢？
這時，奇跡出現了——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！這就是物質第五態——玻色-愛因斯坦凝聚態(以下簡稱「玻愛凝聚態」)。
這個新的第五態的發現還得從1924年說起，那一年，年輕的印度物理學家玻色寄給愛因斯坦一篇論文，提出了一種關於原子的新的理論，在傳統理論中，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……，並且不會將張三認成李四，也不會將李四認成張三。然而玻色卻挑戰了上面的假定，認為在原子尺度上我們根本不可能區分兩個同類原子(如兩個氧原子)有什麼不同。
玻色的論文引起了愛因斯坦的高度重視，他將玻色的理論用於原子氣體中，進而推測，在正常溫度下，原子可以處於任何一個能級(能級是指原子的能量像台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最低的能級上，就好像一座突然坍塌的大樓一樣。處於這種狀態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」，於是他們迅速集合起來，像一個士兵一樣整齊地向前走去。後來物理界將物質的這一狀態稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)，它表示原來不同狀態的原子突然「凝聚」到同一狀態。這就是嶄新的玻愛凝聚態。
然而，實現玻愛凝聚態的條件極為苛刻和矛盾：一方面需要達到極低的溫度，另一方面還需要原子體系處於氣態。極低溫下的物質如何能保持氣態呢？這實在令無數科學家頭疼不已。
後
來物理學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：不會因製冷出現液態，更不會高度聚集形成常規的固體。實驗對像找到了，下一步就是創造
出可以冷卻到足夠低溫度的條件。由於激光冷卻技術的發展，人們可以製造出與絕對零度僅僅相差十億分之一度的低溫。並且利用電磁操縱的磁阱技術可以對任意金
屬物體實行無觸移動。這樣的實驗系統經過不斷改進，終於在玻色—愛因斯坦凝聚理論提出71年之後的1995年6月，兩名美國科學家康奈爾、維曼以及德國科學家克特勒分別在銣原子蒸氣中第一次直接觀測到了玻愛凝聚態。這三位科學家也因此而榮膺2001年度諾貝爾物理學獎。此後，這個領域經歷著爆發性的發展，目前世界上己有近30個研究組在稀薄原子氣中實現了玻愛凝聚態。
玻愛凝聚態有很多奇特的性質，請看以下幾個方面：
這些原子組成的集體步調非常一致，因此內部沒有任何阻力。激光就是光子的玻愛凝聚，在一束細小的激光裡擁擠著非常多的顏色和方向一致的光子流。超導和超流也都是玻愛凝聚的結果。
玻愛凝聚態的凝聚效應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，可以用來設計精確度更高的原子鐘，以應用於太空航行和精確定位等。
玻愛凝聚態的原子物質表現出了光子一樣的特性正是利用這種特性，前年哈佛大學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。
玻愛凝聚態的研究也可以延伸到其他領域，例如，利用磁場調控原子之間的相互作用，可以在物質第五態中產生類似於超新星爆發的現象，甚至還可以用玻色-愛因斯坦凝聚體來模擬黑洞。
隨著對玻愛凝聚態研究的深入，又一次徹底的技術革命的號角已經吹響。
突破第五態，創造第六態
物質形態到此就結束了嗎？還沒有。
在過去幾年內，玻愛凝聚態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。什麼是費米子？什麼是玻色子？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，而原子核又由質子和中子組成。20世紀初，物理學家們發現了正電子和光子，開始探尋更小的粒子，發現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，物理學家把它們統稱為「基本粒子」。早期發現的基本粒子根據各自遇到的「力」可以被分為4類：光子，輕子，介子和重子。20世紀80年代又發現了膠子，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裡，所有的成員都有標定各自基本特性的四種量子屬性：質量、能量、磁矩和自旋。
這
四種屬性當中，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
不像地球自轉那樣是連續的，而是是一跳一跳地旋轉著的。根據自旋倍數的不同，科學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，有整數自旋(如0，1，2等)。這種自旋差異使費米子和玻色子有完全不同的特性。沒有任何兩個費米子能有同樣的量子態：它們沒有相同的特性，也不能在同一時間處於同一地點；而玻色子卻能夠具有相同的特性。
基本粒子中所有的物質粒子都是費米子，是構成物質的原材料(如輕子中的電子、組成質子和中子的夸克、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佔了一半的份額，剩下一半是由費米子組成的物質世界。玻愛凝聚態只能由玻色子來形成實在是太遺憾了。那麼為什麼費米子無法形成玻愛凝聚態呢？
意大利物理學家恩裡科·費米和美國物理學家狄拉克指出：由於費米子具有半整數自旋，他們的相互作用會遵循泡利不相容原理(這條規則不適用於玻色子)。
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，從而在空間排布上，無法處在同一位置，當一個費米子佔據了最低的能級以後，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，所以即使在絕對零度時，這些費米子仍然不能達到全同而凝聚起來，這些細微的差
異導致他們走在一起時總是先來靠裡，後來者往外排隊的現象。
但是費米子佔據了我們宇宙太重要的地位，它是物質世界的基石。此外，人類長久以來尋求的高溫超導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發生。電子作為費米子的一類，如果瞭解了原子費米子凝聚的機理，對電子費米子的凝聚秘密將徹底揭示出來。並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像中尋找超導秘密的暗道。
比夢更離奇的狂想曲
當前世界，粒子與凝聚態物理學領域的頂尖物理學家夢寐以求的這種物質狀態就是所謂的「費米子凝聚態」，費米子凝聚態，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的粒子，而凝聚態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，但奇妙的就是現實與理論的矛盾衝突被天才的技巧平復了。
解決這個矛盾首先來自超導現象的啟發。巴丁、庫珀和施裡弗(他們共同榮獲1972年諾貝爾物理學獎)提出一個對金屬的超導進行解釋的理論——BCS理論，其基本思想是，在極低溫下的金屬中的電子費米子，會彼此結合成對，這種電子對稱為庫柏對。結合成庫柏對的電子費米子表現出玻色子的特性，這樣，物理學家就找到了一個製造「費米子凝聚態」的方法。他們將費米子成對轉變成玻色子，兩個半整數自旋組成一個整數自旋，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。
既然電子可以這樣行事，為什麼原子不可以呢？運用這個理論，科學家們開始對另一種費米子3He同位素進行實驗。後來果然發現了3He的玻愛凝聚態所導致的超流現象：超流液態氦被小心注入燒杯的中央時，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理非常複雜。
這畢竟是一個成功的開始。德博拉·吉恩堅信採用這個途徑可以達到目的。他們首先成功地實現了鉀-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——簡並費米氣體。簡並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。這是一種非常規意義上的量子氣態物質，是通向費米冷凝體的必經之路。製造它們也是一個高難度的冷凝過程，當溫度降到10億分之一K以下時，這些原子仍然沒有由於過強的原子作用而形成凝聚態。
如何將這些信奉「終身獨立」的費米子勸說組成庫柏對，進而形成凝聚態呢？他們採用了一個魔術般的磁場，50納開氏溫度(與絕對溫度只差0.00000005K)下，
當磁場達到某一個特定的頻率時，超冷的費米子氣體開始發生核磁共振，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，攜帶走熱量導致中心部位進一步冷凝。一個奇妙的現象終於發生了：穿過費米氣體中心的探測光波像打到一個晶體上一樣發生了衍射，而氣體是
不會對光波產生衍射的。德博拉·吉恩相信：一種神奇的固體物質一定已經誕生了。後來的原子陣列顯微觀測發現，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。
費米子凝聚態與超導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，後者是沒有質量的虛空的電子冷凝；前者是一個可見的原子超流流體，後者則是金屬中的電子超流體。科學家們把這樣的物質狀態又叫做超導體與玻愛冷凝體的中間狀態。
費米子凝聚態與超導體有哪些不同呢？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體中電子對的吸引力強得多，在同等密度下，如
果使超導體中電子對的吸引力達到費米體中原子對的程度，製造出常溫下的超導體立即可以實現。超冷氣體中形成費米體為研究超導的機理提供了一個嶄新的物質工
具，因此，這項成果有助於下一代全新超導體的誕生。而下一代超導體技術可在電能輸送、超導磁懸浮列車、超導計算機、地球物理勘探、生物磁學、高能物理研究
等眾多領域和學科中大顯身手。
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