十種你可能沒看過最奇怪的物質狀態

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中子星2

絕大多數人都能輕鬆列出物質的三態:液態、固態和氣態,上過一些科學課程的人還能再加上電漿。不過多年來,科學家們已經將可能出現的物質狀態清單擴充到遠超四項,並在這過程中學到了許多關於宇宙大爆炸、光劍的知識以及一種藏在平凡雞隻中的物質狀態。

10. 非晶態固體  Amorphous Solids

非晶態固體

非晶態固體是種有趣的型態,附屬在廣為人知的固態下。在普通的固體中,分子們排得相當整齊、不能隨意亂動。這讓固體擁有很高的黏度(不容易流動的程度)。相較之下,液體的分子結構就較不整齊,分子們可以流過彼此、噴得到處都是和讓形狀變得跟盛裝它們的容器一樣。非晶態固體正介於固體和液體之間。透過名叫玻璃化的過程,液體逐漸冷卻、黏度也提高到讓它不會流動。可是其中的分子並沒有排列整齊,像固體一樣組成晶體化的結構。

非晶態固體2

非晶態固體最常見的例子就是玻璃。幾千年來,人類都用矽砂製成玻璃。其實當工人將液態的玻璃冷卻到溫度低於熔點時,它並沒有變成固體;當溫度逐漸降低,它的黏度提高,變得像是固體,可是分子依舊維持不規則的結構。這個時候玻璃就會成為無定型體。這個轉變過程讓藝術家所做出的玻璃雕塑美得超乎現實。

那麼非晶態固體和普通固體在功能上有甚麼差別嗎?在日常生活中不多。玻璃看起來簡直就是固體,除非你用分子等級的視點來看。還有,別被「玻璃經過長時間會像液體一樣流動」的說法給唬了。懶惰的導遊會帶你看老教堂裡底部比頂端厚的玻璃,讓這個流言越傳越開。那只是因為工藝技術尚未成熟使得玻璃厚度不均,而厚處當然會被放在底端。雖然看起來不甚刺激,研究像玻璃這樣的非晶態固體可是讓研究者隊形態變換和分子結構有了新看法。

9. 超臨界流體 Supercritical Fluids

大部分的型態轉換都發生在特定溫度和壓力下。每個人都知道液體不斷加熱就會變成氣體,不過如果壓力也和溫度同步增加,液體就會轉而踏入超臨界流體的領域。它同時擁有液體和氣體的特性。

舉例來說,超臨界流體能夠像氣體一樣穿過固體,又能夠像液體一樣當溶劑用。更有趣的是,它還能夠藉著調節溫度和壓力使性質更偏向液體或氣體。這使得科學家們發現了超臨界流體的無數用途,從最普通到最極端的。

雖然超臨界流體不像非晶態固體那麼常見,你碰到它的機會可能還是跟看到玻璃一樣高。釀酒廠在萃取啤酒花內物質時很喜歡使用超臨界二氧化碳當溶劑,咖啡公司也用它來製造更好的無咖啡因咖啡。超臨界流體也用來提升水解作用的效率和使發電廠能用更高的溫度運作。也許你沒聽過這個名詞,不過你大概每天都在用它製造出來的產品。

8. 簡併態物質 Degenerate Matter

簡併態物質

非晶態固體至少還在地球上,不過簡併態物質只存在於特定的恆星上。簡併態物質出現的條件是物體向外的壓力不像在地球上一樣由溫度決定,而取決於複雜的量子理論(通常是包立不相容原理Pauli exclusion principle)。因此,簡併態物質的外部壓力會保持不變,即使溫度降到絕對零度。簡併態物質主要有兩種,電子簡併態物質和中子簡併態物質。

電子簡併態物質主要出現於白矮星。當核心周圍的物質要將核心的電子壓縮到低能態時,核心就會生成電子簡併態物質。不過根據包立不相容原理,不同的組成粒子不得占據同一量子態。於是粒子就會將周圍的物質往外推,形成一股外向壓力。這也是因為量子法則規定,核心的電子不得處於最低的能階。只有在這個恆星的質量低於太陽的1.44倍時,這狀態才得以維持。一旦質量超過這個門檻稱為錢德拉賽卡極限(Chandrasekhar Limit)時,星球就會崩毀成中子星或黑洞。

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中子星

當恆星崩毀成中子星時,它會失去電子簡併態物質,改由中子簡併態物質組成。由於中子星實在太重,使得核心內的質子和電子開始融合、產生中子。自由中子(不受原子核束縛的中子)的半衰期通常是10.3分鐘,不過在中子星的核心裡,恆星的巨大質量使中子能存在於原子核外,形成中子簡併態物質

可能還有別種外星簡併態物質存在,包括奇異物質。這種物質可能存在於夸克星(quark star)這種稀少的恆星上。夸克星是種介於中子星和黑洞間的階段,核心中的夸克會發生去耦合,製造出大量的自由夸克。我們目前還沒有找到這種恆星,不過物理學家持續在建立它們存在的理論。

7. 超流體 Superfluid

咱們回到地球來談談超流體吧。當氦、銣或鋰的某種同位素冷卻到接近絕對零度時,就會得到超流體。這物質很接近玻色─愛因斯坦凝聚體(Bose-Einstein condensate),不過有些小差異。某些玻色─愛因斯坦凝聚是超流體,反之亦然,不過並非完全吻合。

最常見的超流體是液態氦。當氦的溫度降到克氏2.17度,也就是所謂的拉目達點(lambda point)時,一部份的液體會成為超流體。大部分的物質在冷卻到某個溫度時,原子間的引力會大過熱震動而讓物質成為固態。但是氦原子間的引力太小,使它在溫度降到絕對零度前都還能保持液態。事實上,在這個溫度下各原子的特性會重疊,造成超流體的奇妙性質。

簡單地說,超流體沒有黏度。放在試管中的超流體會沿著管壁向上爬,好像無視重力和表面張力法則。液態氦非常容易滲漏,因為它能夠穿過極其微小的洞孔。超流體還擁有怪異的熱力學特性。它的熱力學熵是零,熱導率是無限大,也就是說兩個超流體間不會有熱度差。導入超流體的熱量會傳播得非常快,以至於產生熱波。這是普通液體不會出現的現象。

6. 玻色─愛因斯坦凝聚體 Bose-Einstein Condensate

玻色─愛因斯坦凝聚體大概是物質狀態中最不明確的種類之一,也是最難懂的之一。首先,我們必須先了解玻色子和費米子是什麼。費米子是自旋為半整數的基本粒子(如電子)或是複合粒子(如質子)。這些粒子都遵守讓電子簡併態物質存在的包立不相容原理。相反地,玻色子的自旋為整數,而且複數個玻色子可以占據同個量子態。玻色子包括能傳遞作用力的粒子(如光子)和某些原子,像是我們的朋友氦-4和別的氣體。這一類元素被稱為玻色原子。

愛因斯坦在1920年代用了印度物理學家薩德延德拉‧玻色(Satyendra Nath Bose)的工作成果假設有一種新物質。愛因斯坦創的理論是:如果你將某些元素氣體冷卻到高於絕對零度的非整數溫度,它的波函數會合併起來,創造出一個「超級原子」。這種物質能夠表現出巨觀等級的量子效應。不過能夠將元素冷卻至適當溫度的技術直到1990年代才出現。1995年,研究者Eric Cornell和Carl Wieman成功以2000顆原子合成出大到足以用顯微鏡觀測的玻色─愛因斯坦凝聚體。

玻色─愛因斯坦凝聚體跟超流體關係密切,不過擁有不同的特性。玻色─愛因斯坦凝聚體最驚人的性質是它能讓光的速度從每秒30萬米慢下來。哈佛的研究者Lene Hau在1998年讓雷射光穿過一隻雪茄型的玻色─愛因斯坦凝聚體,成功讓光速減慢到只剩時速60公里。Hau的團隊甚至在雷射光通過樣品時將雷射關閉,讓光停留在玻色─愛因斯坦凝聚體中。這些實驗開啟了光通訊和量子運算的全新領域。

5. 楊-泰勒金屬 Jahn-Teller Metals

楊-泰勒金屬在物質狀態家族中是個新成員,直到2015年研究人員們才成功將它製造出來。如果成果經過其他實驗室認可,將會大大改變我們認知的世界,因為楊-泰勒金屬同時擁有絕緣體和超導體的性質。

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由化學家Kosmas Prassides率領的研究人員用了碳60分子carbon-60 molecules (又稱巴克球)作實驗,將銣放進它的結構中使碳60分子變成新的形狀。這金屬以楊-泰勒效應命名是因為它解釋了壓力如何改變分子的幾何造型並改變電子組態。在化學上,壓力不只靠擠壓來造成。在既有結構中加入原子或分子來改變基本性質也能辦到。

當Prassides的團隊將銣放進碳60分子中,這個碳分子就從絕緣體變成了超導體。不過根據楊-泰勒效應,分子會試圖保持舊有的組態。於是就出現了一種像是絕緣體卻擁有超導體性質的物質。這個轉變過程在本實驗進行前從沒出現過。

楊-泰勒金屬讓人興奮的是它在較高的溫度下就能變成超導體(攝氏-135度,和攝氏-243.2度比起來)。這使它更有希望能在合理的成本下進行實驗和量產。如果實驗室的主張屬實,我們就更接近可量產的無電阻導體了。它不放熱、無噪音,也不散失能源,將會掀起能源製造和輸送的革命。

4. 光子態物質 Photonic Matter

長久以來,我們對光子的傳統認知就是它是沒有質量而且不相互干涉的粒子。不過近幾年來,麻省理工和哈佛的研究者發現了一些方法可以讓光好像帶有質量,更進一步創造了會互相碰撞、吸引的「光粒子」。如果這樣聽起來不好玩,那你就當作這是造出光劍的第一步吧。光子態物質背後的理論有點複雜,不過聽好囉(想想你的光劍)。研究人員拿極冷的銣氣體來做創造光子態物質實驗。當光子射進氣體時,它會偏折並和銣粒子發生反應,於是失去能量而慢下來。最後,穿過氣體的光子速度明顯下降,不過性質不變。

當發射兩顆光子進氣體裡時,事情就不太對勁了。這時會發生一種叫里德柏障礙(Rydberg blockade)的現象:當原子被光子激發後,附近的原子就不能被激發到同一個位階。簡單來說,被激發的原子會擋住光子的路。於是第二顆光子要激發原子就必須要等第一顆穿過氣體。光子通常不會彼此干涉,但是當它們碰上里德柏障礙時就會互相推擠、傳遞能量並且互相作用。從旁觀察時,這兩顆光子就好像具有質量、變成了單一分子─即使它們還是沒有質量。當光子穿出氣體時,好像就成了光的分子,可以偏折或塑型。

光子態物質要實際應用還有很長一段路要走,不過研究員Mikhail Lukin已經列出了一串可能的用途,從電腦到用光構成的3D晶體。當然,還有光劍。

3. 無序超齊構體 Disordered Hyperuniformity

科學家在定義一種物體是否為新的狀態時除了看它的性質外,也要看它的結構。普林斯頓大學的Salvatore Torquato 和Frank H. Stillinger在2003年發表了一種稱之為無序超齊構體的新物質狀態。這名字聽起來很矛盾,不過它的意思是這新物質近看相當雜亂,不過遠看結構就井然有序。這種物質同時具有晶體和液體的性質。一開始,這好像只會出現在電漿和液態氫中,不過研究員們最近在大自然中一個看似最不可能的地方找到了範本:雞的眼睛裡。

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雞眼中有五個錐狀體,四個偵測顏色、剩下一個則偵測亮度。不過這些錐狀體和人眼或昆蟲的六角形眼球不同,是隨機分布的。會這樣是因為這些錐狀體周圍有一圈互斥區,不容許同類靠在一起。由於互斥區的存在和錐形的形狀,它們無法組成規則的晶體結構(像我們在固體裡看到的那種)。然而當我們把所有錐狀體視為一個整體時就會發現它們其實具有很整齊的形式,像普林斯頓公開的這些照片中所見。於是,這些錐狀體近看時是液體,遠看卻是固體。和前面提過的非晶態固體不同的是超齊構體動起來像液體,非晶態固體則否。

科學家還在研究這種新狀態,它似乎比本來認為的更加常見。現在,普林斯頓的研究者正在研究以這種齊構體做出會自動成型的結構物和針對特定波長光線的偵測器。

2. 弦狀網液態 String-Net Liquid

String Theory

宇宙的那片真空是哪一種物質狀態?很多人沒有仔細想過這個問題。但過去十年來麻省理工的文小剛和哈佛的Michael Levin提出了一種新物質狀態,也許會在探索比電子更基礎的粒子時成為關鍵。

開發弦狀網液態理論之路始自90年代中期。當時有一群科學家提出了稱為「準粒子」的物質,似乎是在實驗中由電子穿過兩個半導體產生的。這發現引起軒然大波,因為準粒子似乎擁有非整數個電荷,而當時的物理學認為這是不可能的。團隊收集了數據,並假設電子不是構成宇宙的基本粒子,還有更多基本粒子沒被發現。這發現為他們贏得諾貝爾獎,不過之後卻被發現這結論來自於錯誤的實驗數據,準粒子理論也就消失了。

不過某些研究者沒有完全放棄。文和Levin接收了準粒子的研究並提出了弦狀網這個新的物質狀態。這個狀態的基本性質是量子纏結。它有點像無序超齊構體:近看弦狀網時,它似乎有大量的無序電子;不過看整體時,它又因為電子的量子纏結性質而有秩序。文和Levin接著擴大了它們的工作以指出其它粒子和纏結性質。

新狀態的電腦模型開始運作之後,文和Levin發現弦狀網的末端會產生許多種讓大家越來越有興趣的次原子粒子,包括之前虛構的準粒子。更震驚的是,當弦狀網震動時,粒子也會依照主掌光的馬克士威方程式震動。文和Levin在他們的論文中提出假設說宇宙充滿了由次原子粒子纏繞組成的弦狀網,而弦狀線的末端就是我們看到的次原子粒子。他們也猜測這些弦狀網液態就是光發生的原因。如果宇宙的真空中充滿了弦狀網液態,我們就能夠整合物質和光。

弦狀網液態2

這些聽起來也許很牽強,不過1972年(弦狀網假說提出多年前),地質學家在智利發現了一種稱作二維阻挫反鐵磁體(herbertsmithite)的礦物。在這種礦物中,電子組成三角形結構,和我們所知的電子互動方式有衝突。不過弦狀網模型卻預測到這種三角結構的存在,研究者也試著以人工方法製造出這種礦物來證明模型是正確的。很不幸的是,這種理論中的狀態是否存在仍未有定論。

1. 夸克-膠子電漿 Quark-Gluon Plasma

最後我們就來回顧一種一切起源時的模糊物質狀態:夸克-膠子電漿。事實上,早期宇宙的物質狀態和古典的這幾種完全不同。首先,來談點背景知識。

夸克是我們在強子(如質子和中子)中找到的基本粒子。強子是由三個夸克或一個夸克加一個反夸克組成。夸克擁有非整數個電荷、由膠子這種負責傳遞強作用力的粒子組合起來。

我們在自然中無法看到自由夸克,不過在宇宙大爆炸發生後,自由夸克和膠子存在過一毫秒。這段時間內,宇宙的溫度極高,使得夸克和膠子都以直逼光速的高速移動、很少彼此作用。這時整個宇宙都充滿了這滾燙的夸克-膠子電漿。再過了不到一秒,宇宙冷卻到足以讓強子之類的重粒子形成,夸克和膠子也開始彼此作用。這時強子和電子結合成為原始的原子,我們所知的宇宙也開始成形。

在現階段的宇宙,科學家們試圖用大型粒子加速器來重現夸克-膠子電漿。強子等重原子在實驗中被拿來互相碰撞,製造出短暫的高溫使夸克得以分離出來。從早期的實驗中我們已經得知夸克-膠子電漿的某些特質,像是它完全沒有摩擦力,以及比我們已知的電將更接近液體。隨著科學家對這神秘物質狀態的實驗繼續進行,我們會更清楚這個宇宙是為何、又如何成形。
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來源: Listverse