為什麼物理學家能不斷發現新的物質狀態?
2020年04月03日08:57
新的發現促使物理學家就像尋寶一樣在努力尋找新的物質狀態
新的發現促使物理學家就像尋寶一樣在努力尋找新的物質狀態

  新浪科技訊 北京時間4月3日消息,我們常見的物質有三種基本狀態,即固態、液態和氣態。這是一個理解我們所處物理世界的簡單方法。當然,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:等離子態。如果關注科學新聞,你可能還聽說過“玻色-愛因斯坦凝聚態”。這就有五種物質狀態了。

  那麼,簡並態物質呢?還有拓撲超導體和時間晶體呢?沒錯,儘管我們在日常生活中不會遇到,但這些都是物質的合理狀態(或稱為“相”)。事實上,物理學家已經發現了許多物質狀態,很可能數以千計。與此同時,他們仍然一直在尋找新的物質狀態。據推測,我們或許可以發現數百萬種可能的物質狀態。

  當然,最基本的三種物質狀態在很早以前就已為人熟知。到了19世紀下半葉,當電實驗首次產生等離子體時,科學家意識到,可能存在著更多新的物質狀態。玻色-愛因斯坦凝聚理論最早於1924年提出,之後我們對物理學的理解不斷擴展,很快就發現即使在日常生活中,物質的狀態也比原先認為的多得多。

  對物理學家來說,冰箱上的磁鐵和冰箱本身是不同形式的物質。酒杯和放置它的木架子同樣代表了物質的兩種不同狀態。

  物質的狀態只表明了原子或其他構成物質的粒子的排列方式,而不同的排列會產生不同的性質。例如,在固體中,分子排列成晶格結構,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,分子就像在氣體中一樣流動,但它們的電子可以自由移動,從而可以很容易地導電。

  物質的分子和組成粒子有無數的排列方式。例如,在固體中,分子排列形成三維晶體結構的方式有230種,這些排列方式又稱為“空間組”。每一個空間組就代表了一種物質形式。根據電子的排列方式,這230個空間組中的每一個都可以是導體或絕緣體,這也使其成為不同形式的物質。

  當溫度非常高或非常低,且壓力非常大的時候,正常物質會變形為各種性質奇特的狀態。例如,在中子星內部,原子核可能會被壓縮成一種“簡並態”物質,電子和質子被迫結合在一起形成中子,甚至進一步形成一種僅由基本粒子構成的夸克-膠子等離子體。在另一個極端,當分子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,它們會表現得就好像是單個原子一樣。這賦予了這些原子獨特的性質,就像完全沒有黏性一樣。換句話說,你可以在其中製造出永遠旋轉的小漩渦。

  荷蘭阿姆斯特丹大學凝聚態理論副教授賈斯帕·範·韋策爾(Jasper van Wezel)表示,我們之所以能不斷髮現新的物質狀態,部分原因很簡單,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列的東西都有這些特性,”他說,“而發現所有這些可能性只是時間問題。”

  隨著技術的進步,我們也能夠在更極端的條件下進行實驗,而且精確度更高。例如,我們現在可以觀測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,可以產生磁力。

  “在20世紀50年代,你只需要測量磁化強度,然後說,‘看,這兩個東西都有磁性——我可以把它們都貼在冰箱上’,就這樣,”範·韋策爾說,“但現在我們有了深入物質內部的工具,可以觀察每一個粒子的自旋,我們可以說,‘看,它們都是有磁性的,但在這個東西中,有三分之一的自旋是相反的,而在那個東西中不是這樣,所以它們是不同的。”

  利用這些新的發現,物理學家或許可以操縱這些自旋來創造出具有全新性質的物質。發現物質利用的多種可能性也是物理學家如此癡迷於發現新物質狀態的原因之一,新的相也因此令人倍感興奮。

  “每次我們發現物質的新相,它都會給我們一系列以前任何物質相都無法比擬的特性,”美國萊斯大學物理系的助理教授卡登·哈澤德(Kaden Hazzard)說,“如果你擁有的只是液體,而有人遞給你一塊磚,突然間你就有了新的能力,可以抵擋過去所無法抵擋的東西。”

  舉例來說,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,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,可以大大減小將電力輸送到家庭的輸電線損失,或者使計算機的工作效率大大提高。

  最近發現的一種被稱為“拓撲超導體”的物質狀態,其內部就如同電絕緣體,但其邊緣則是導電的。這些獨特的性能可以用在量子計算機上,以保護存儲信息的脆弱量子位。

  也有一些我們尚未發現,但物理學家認為應該存在的物質特性,這非常令人期待。例如,長期以來,室溫超導體一直被認為是凝聚態物理學的“聖盃”。這種材料將徹底改變我們用電的方式,從而將完全改變我們的未來生活。

  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,粒子的自旋會相互影響,以一種意想不到的方式產生磁性。這類物質可能將推動我們開發出更好的量子計算機,甚至有助於創造室溫超導體。

  物理學家有時並不一定要去尋找理論上應該存在的材料,而是應反其道而行之,去努力解釋一些新創造出來的物質,為何能表現出令人完全意想不到的作用方式。或許最好的例子就是分數量子霍爾效應。想像一堆電子在一個二維材料的磁場中移動。與系統有關的電荷應該是e,即電子攜帶的電荷;但是,當科學家測量時,他們發現電荷卻正好是e除以3。

  哈澤德說:“這讓實驗者大吃一驚,因為裡面沒有任何東西的電荷低於e。”他將此比作一堆檯球扔到檯球桌上,看著它們落入袋中,但不知何故,這些移動的檯球重量只有正常重量的三分之一。

  用檯球打比方聽起來很荒謬,但在量子層面上,情況就不一樣了。科學家發現,當電子一起運動時,它們的運動會使其表現得就像攜帶了實際電荷的三分之一。這也意味著,這些電子變成了一種全新的物質狀態。

  類似的發現促使物理學家就像尋寶一樣在努力尋找新的物質狀態。在物理學定律中,肯定隱藏著更多意想不到的物質性質。當粒子以合適的方式排列,並與物理狀態融合形成新的物質實體,或許就能讓我們再一次擁有以前從未夢想過的能力。(任天)

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