物質結構理論

在自然界中，我們看到物質以各種各樣的形態存在着：花蟲鳥獸、山河湖海、不同膚色的人種、各種美麗的建築……大到星球宇宙，小到分子、原子、電子等極微小的粒子，真是千姿百態鬥奇爭豔。大自然自身的發展，造就了物質世界這種絢麗多彩的宏偉場面。物質具體的存在形態有多少，這的確是難以説清的。但是，經過物理學的研究，千姿百態的物質都可以初步歸納為兩種基本的存在形態：“實物”和“場”。

“實物”具有的共同特點是：質量集中在某一空間，一般有比較確定的界面（氣體的界面雖然模糊，但它又是由一個個實物粒子構成）。本文開頭所舉的各例都屬於實物。

“場”則是看不見摸不着的物質，它可以充滿全部空間，它具有“可入性”。例如大家熟知的電磁波，它可以將電台天線發射的信號通過空間傳送到千家萬户的收音機或電視機。可以概括地説，“場”是實物之間進行相互作用的物質形態。

什麼是“物態”呢？日常所知的固態、液態和氣態就是三種“物態”。為什麼要有“物態”的概念？因為實物的具體形態太多了，將它們歸納一下能否分成較少的幾類？這就產生了“物態”的概念。“物態”是按屬性劃分的實物存在的基本形態，它都表現為大量微小物質粒子作為一個大的整體而存在的集合狀態。以往人們只知道有固態、液態和氣態三種物態，隨着科學的發展，在大自然中又發現了多種“物態”。人類迄今知道的“物態”已達10餘種之多。

日常生活中最常見的物質形態是固態、液態和氣態，從構成來説這類狀態都是由分子或原子的集合形式決定的。由於分子或原子在這三種物態中運動狀況不同，而使我們看到了不同的特徵。

嚴格地説，物理上的固態應當指“結晶態”，也就是各種各樣晶體所具有的狀態。最常見的晶體是食鹽（化學成份是氯化鈉，化學符號是NaCl）。你拿一粒食鹽觀察（最好是粗製鹽），可以看到它由許多立方形晶體構成。如果你到地質博物館還可以看到許多顏色、形狀各異的規則晶體，十分漂亮。物質在固態時的突出特徵是有一定的體積和幾何形狀，在不同方向上物理性質可以不同（稱為“各向異性”）；有一定的熔點，就是熔化時温度不變。

在固體中，分子或原子有規則地週期性排列着，就像我們全體做操時，人與人之間都等距離地排列一樣。每個人在一定位置上運動，就像每個分子或原子在各自固定的位置上作振動一樣。我們將晶體的這種結構稱為“空間點陣”結構。

液體有流動性，把它放在什麼形狀的容器中它就有什麼形狀。此外與固體不同，液體還有“各向同性”特點（不同方向上物理性質相同），這是因為，物體由固態變成液態的時候，由於温度的升高使得分子或原子運動劇烈，而不可能再 保持原來的固定位置，於是就產生了流動。但這時分子或原子間的吸引力還比較大，使它們不會分散遠離，於是液體仍有一定的體積。實際上，在液體內部許多小的區域仍存在類似晶體的結構——“類晶區”。流動性是“類晶區”彼此間可以移動形成的。我們打個比喻，在柏油路上送行的“車流”，每輛汽車內的人是有固定位置的一個“類晶區”，而車與車之間可以相對運動，這就造成了車隊整體的流動。

液體加熱會變成氣態。這時分子或原子運動更劇烈，“類晶區”也不存在了。由於分子或原子間的距離增大，它們之間的引力可以忽略，因此氣態時主要表現為分子或原子各自的無規則運動，這導致了我們所知的氣體特性：有流動性，沒有固定的形狀和體積，能自動地充滿任何容器；容易壓縮；物理性質“各向同性”。

顯然，液態是處於固態和氣態之間的形態。

普通玻璃是固體嗎？你一定會説，當然是固體。其實，它不是處於固態（結晶態）。對這一點，你一定會奇怪。

這是因為玻璃與晶體有不同的性質和內部結構。

你可以做一個實驗，將玻璃放在火中加熱，隨温度逐漸升高，它先變軟，然後逐步地熔化。也就是説玻璃沒有一個固定的熔點。此外，它的物理性質也“各向同性”。這些都與晶體不同。

經過研究，玻璃內部結構沒有“空間點陣”特點，而與液態的結構類似。只不過“類晶區”彼此不能移動，造成玻璃沒有流動性。我們將這種狀態稱為“非晶態”。

嚴格地説，“非晶態固體”不屬於固體，因為固體專指晶體；它可以看作一種極粘稠的液體。因此，“非晶態”可以作為另一種物態提出來。

除普通玻璃外，“非晶態”固體還很多，常見的有橡膠、石蠟、天然樹脂、瀝青和高分子塑料等。

“液晶”對我們已不陌生，它在電子錶、計算器、手機、傳呼機、微型電腦和電視機等的文字和圖形顯示上得到了廣泛的應用。

“液晶”這種材料屬於有機化合物，迄今人工合成的液晶已達5000多種。

這種材料在一定温度範圍內可以處於“液晶態”，就是既具有液體的流動性，又具有晶體在光學性質上的“各向異性”。它對外界因素（如熱、電、光、壓力等）的微小變化很敏感。我們正是利用這些特性，使它在許多方面得到應用。

上述幾種“物態”，在日常條件下我們都可以觀察到。但是隨着物理學實驗技術的進步，在超高温、超低温、超高壓等條件下，又發現了一些新“物態”。

這是氣體在約幾百萬度的極高温或在其它粒子強烈碰撞下所呈現出的物態，這時，電子從原子中游離出來而成為自由電子。等離子體就是一種被高度電離的氣體，但是它又處於與“氣態”不同的“物態”——“等離子態”。

太陽及其它許多恆星是極熾熱的星球，它們就是等離子體。宇宙內大部分物質都是等離子體。地球上也有等離子體：高空的電離層、閃電、極光等等。日光燈、水銀燈裏的電離氣體則是人造的等離子體。

在140萬大氣壓下，物質的原子就可能被“壓碎”。電子全部被“擠出”原子，形成電子氣體，裸露的原子核緊密地排列，物質密度極大，這就是超固態。一塊乒乓球大小的超固態物質，其質量至少在1000噸以上。

已有充分的根據説明，質量較小的恆星發展到後期階段的白矮星就處於這種超固態。它的平均密度是水的幾萬到一億倍。

在更高的温度和壓力下，原子核也能被“壓碎”。我們知道，原子核由中子和質子組成，在更高的温度和壓力下質子吸收電子轉化為中子，物質呈現出中子緊密排列的狀態，稱為“中子態”。

已經確認，中等質量（1.44～2倍太陽質量）的恆星發展到後期階段的“中子星”，是一種密度比白矮星還大的星球，它的物態就是“中子態”。

更大質量恆星的後期，理論預言它們將演化為比中子星密度更大的“黑洞”，但還沒有直接的觀測證實它的存在。至於 “黑洞”中的超高壓作用下物質又呈現什麼物態，我們一無所知，有待於今後的觀測和研究。

物質在高温、高壓下出現了反常的物態，那麼在低温、超低温下物質會不會也出現一些特殊的形態呢？下面講到的兩種物態就是這類情況。

超導態是一些物質在超低温下出現的特殊物態。最先發現超導現象的，是荷蘭物理學家卡麥林·昂納斯（1853～1926年）。1911年夏天，他用水銀做實驗，發現温度降到4.173K的時候（約-269℃），水銀開始失去電阻。接着他又發現許多材料都又有這種特性：在一定的臨界温度（低温）下失去電阻（請閲讀“低温和超導研究的進展”專題）。卡麥林·昂納斯把某些物質在低温條件下表現出電阻等於零的現象稱為“超導”。超導體所處的物態就是“超導態”，超導態在高效率輸電、磁懸浮高速列車、高精度探測儀器等方面將會給人類帶來極大的益處。

超導態的發現，尤其是它奇特的性質，引起全世界的關注，人們紛紛投入了極大的力量研究超導，至今它仍是十分熱門的科研課題。全世界已發現的超導材料主要是一些金屬、合金和化合物，已不下幾千種，它們各自對應有不同的“臨界温度”，目前最高的“臨界温度”已達到130K（約零下143℃），各國科學家正在拼命努力向室温（300K或27℃）的臨界温度衝刺。

超導態物質的結構如何？研究還不成熟，有待繼續探索。

超流態是一種非常奇特的物理狀態，科學家認為，這種狀態只發生在超低温下的個別物質上。

1937年，前蘇聯物理學家彼得·列奧尼多維奇·卡皮察（1894～1984年）驚奇地發現，當液態氦的温度降到2.17K的時候，它就由原來液體的一般流動性突然變化為“超流動性”：它可以無任何阻礙地通過連氣體都無法通過的極微小的孔或狹縫（線度約10萬分之一釐米），還可以沿着杯壁“爬”出杯口外。我們將具有超流動性的物態稱為“超流態”。但全世界只發現低於2.17K的液態氦有這種物態。超流態下的物質結構，理論也在探索之中。

上面介紹的只是迄今發現的10 種物態，有文獻歸納説還存在着更多種類的物態，例如：超離子態、輻射場態、量子場態，限於篇幅，這裏就不一一列舉了。我們相信，隨着科學的發展，我們一定會認識更多的物態，解開更多的謎，並利用它們奇特的性質造福於人類。

玻色-愛因斯坦凝聚是原子在冷卻到絕對零度附近時所呈現出的一種氣態的、超流性的物態。1995年科羅拉多大學鮑爾德分校的埃裏克·康奈爾和卡爾·威曼使用氣態的銣原子在170納開爾文的低温下首次獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。在這種狀態下，幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態，形成一個宏觀的量子狀態

所有原子的量子態都束聚於一個單一的量子態的狀態被稱為玻色凝聚或玻色-愛因斯坦凝聚。

1920年代玻色和阿爾伯特·愛因斯坦在玻色的關於光子的統計力學的研究的基礎上對這個狀態做了預言。2005年7月22日烏得勒支大學的學生羅迪·玻因克在保羅·埃侖費斯特的個人擋案中發現了1924年12月愛因斯坦手寫的原文的草稿。玻色和愛因斯坦的研究的結果是遵守玻色-愛因斯坦統計的玻色氣體。玻色-愛因斯坦統計是描寫玻色子的統計分佈的理論。玻色子，其中包括光子和氦-4之類的原子，可以分享同一量子態。愛因斯坦推測將玻色子冷卻到非常低的温度後它們會“落入”（“凝聚”）到能量最低的可能量子態中，導致一種全新的相態。

一個單純的三維的氣體的臨界温度為（氣體處在的外部勢能是恆定的）：

玻色-愛因斯坦凝聚態

其中：

T_c臨界温度

n粒子密度

m每個玻色子的質量

h普朗克常數

k_B玻爾茲曼常數

ζ黎曼ζ函數：ζ(3/2)≈2.6124.

玻色-愛因斯坦凝聚態

1938年彼得·卡比薩、約翰·艾倫和冬·麥色納（DonMisener）發現氦-4在降温到2.2開爾文時會成為一種叫做超液體的新的液體狀態。超液的氦有許多非常不尋常的特徵，比如它的黏度為零，其漩渦是量子化的。很快人們就認識到超液體的原因是玻色-愛因斯坦凝聚。事實上，康奈爾和威曼發現的氣態的玻色-愛因斯坦凝聚呈現出許多超液體的特性。但一般氦-4不被看作是玻色-愛因斯坦凝聚，因為它是液態的，液態的原子之間的相互作用比較強，初始的玻色-愛因斯坦理論必須被強烈改變後才能用來描寫超液體。

最早的“真正”的玻色-愛因斯坦凝聚是康奈爾和威曼及其助手在天體物理實驗室聯合研究所於1995年6月5日製造成功的。他們使用激光冷卻和磁阱中的蒸發冷卻將約2000個稀薄的氣態的銣-87原子的温度降低到170nK後獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。四個月後，麻省理工學院的沃爾夫岡·凱特勒使用鈉-23獨立地獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。凱特勒的凝聚較康奈爾和威曼的含有約100倍的原子，這樣他可以用他的凝聚獲得一些非常重要的結果，比如他可以觀測兩個不同凝聚之間的量子衍射。2001年康奈爾、威曼和凱特勒為他們的研究結果共享諾貝爾物理獎。

康奈爾、威曼和凱特勒的結果引起了許多試驗項目。比如2003年11月因施布魯克大學的魯道爾夫·格里姆、科羅拉多大學鮑爾德分校的德波拉·金和凱特勒製造了第一個分子構成的玻色-愛因斯坦凝聚。

與一般人們遇到的其它相態相比玻色-愛因斯坦凝聚非常不穩定。與外界世界的極其微小的相互作用足以使它們加熱到超出臨界温度，分解為單一原子的狀態。因此在近時內不太可能為它們找到什麼實際應用。

雖然玻色-愛因斯坦凝聚很難理解也很難製作，但它們也有許多非常有趣的特性。比如它們可以有異常高的光學密度差。一般來説凝聚的折射係數是非常小的因為它的密度比平常的固體要小得多。但使用激光可以改變玻色-愛因斯坦凝聚的原子狀態，使它對一定的頻率的係數驟增。這樣光速在凝聚內的速度就會驟降，甚至降到數米每秒。

自轉的玻色-愛因斯坦凝聚可以作為黑洞的模型，入射的光不會逃離。凝聚也可以用來“凍結”光，這樣被“凍結”的光在凝聚分解時又會被釋放出來。

玻色-愛因斯坦凝聚態

這個新的第五態的發現還得從1924年説起，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，在正常温度下，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），但在非常低的温度下，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温度，另一方面還需要原子體系處於氣態。極低温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。實驗對象找到了，下一步就是創造出可以冷卻到足夠低温度的條件。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温。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，這個領域經歷着爆發性的發展，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。

玻色-愛因斯坦凝聚態

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，在一束細小的激光裏擁擠着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。