第六态物质.doc

第六态物质我们的地球虽然身为宇宙的一员，但在浩瀚的宇宙中却显得孤傲不群，像一座孤独飘零的岛屿。不要说它诞生了宇宙中极为罕见的智慧生命(而这样的生命在宇宙中其它地方却难以生存)，就是它上面的物质形态特别的与众不同。地球上司空见惯的物质三态固态、液态、气态，在宇宙中却极为罕见，物质第四态等离子态，是宇宙中极多的状态。这更有意思的是，当我们让物质不断地冷下去、冷下去不可思议的新物质形态又出现了。这种在地球上只能出现于条件严格的实验室中的物质形态，会在宇宙的某个角落随意飘荡吗？第1课从物质三态到第四态 石头、铁块等物体既坚硬又不易挥发，这就是作为固体物质的基本特性之一。我们人类居住在一个绝大部分由这些固态物质组成的天地里。当然，我们一样离不开水和空气，它们分别属于液态和气态物质中的一类，相比较而言，这些柔软而易挥发的物质在我们生存的环境中占据的比例更大，对我们生活的影响其实也更大：在科幻故事中，人类依然可以生活在未来水世界上，却无法生活在全部由岩石构成的世界之中。物质的三态之间的转换很早就被人类认识到了，它们是不同温度下的状态，由所谓的冰点和熔点决定各自产生转换的温度。100多年前，人类对物质状态的认识基本上仅只于此。虽然亚里士多德在2000多年前就发现世界的组成除了这三态以外还包括火，但他也不清楚火究竟是一种什么物质？其实这就是物质的第四种状态等离子体的一种表现形式。如果把气体持续加热几千甚至上万度时，物质会呈现出一种什么样的状态呢？这时，气体原子的外层电子会摆脱原子核的束缚成为自由电子，失去外层电子的原子变成带电的离子，这个过程称为电离。所谓“电离”，其实就是电子离开原子核的意思。除了加热能使原子电离(热电离)外，还可通过电子吸收光子能量发生电离(光电离)，或者使带电粒子在电场中加速获得能量与气体原子碰撞发生能量交换，从而使气体电离(碰撞电离)。发生电离(无论是部分电离还是完全电离)的气体称之为等离子体(或等离子态)。等离子体的独特行为与固态、液态、气态截然不同，因此称之为物质第四态。等离子体的存在机理是怎样的呢？物质是由分子或者原子组成的，而分子也是由原子组成。原子都由原子核和绕核高速运动的电子构成。原子核带正电，电子带负电，正、负电数量相等，整个原子对外不显电性。电子之所以绕核运动，因为它的能量不足以挣脱核的束缚力。如果不停地给物质加热，当温度升高到数十万度甚至更高，或者用较高电压的电激，电子就能获得足够逃逸的能量，从原子核上剥落下来，成为自由运动的电子。这就像一群下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。这时物质就成为由带正电的原子核和带负电的电子组成的一团匀浆，人们戏称它“离子浆”。这些离子浆中正负电荷总量相等，因此又叫等离子体。等离子体的物质密度跨度极大，从10的3次方个立方厘米的稀薄星际等离子体到密度为10的22次方个立方厘米的电弧放电等离子体，跨越近20个数量级；温度分布范围则从100 K(173.15C)的低温到超高温核聚变等离子体的10的8次方10的9次方K。等离子体在我们的宇宙中大量存在，从一根蜡烛燃起的火苗到滋生万物的太阳，从闪烁的星星到灿烂的星系。就在我们周围，在日光灯和霓虹灯的灯管里，在眩目的白炽电弧里，都能找到它的踪迹；另外，在地球大气层的电离层里，在美丽的极光和流星的尾巴里，也能找到奇妙的等离子态；放眼宇宙，更是等离子体的天下，宇宙中大部分发光的星球内部温度和压力都很高，这些星球内部的物质差不多都处于等离子态，像太阳这样灼热的恒星就是一团巨大的等离子体。只有那些昏暗的行星和分散的星际物质里才可以找到固态、液态和气态的物质。据印度天体物理学家沙哈的计算，宇宙中99%的物质都处于等离子体状态，而地球上常见的物质状态在宇宙中却成为稀罕宝贝。这是为什么呢？原来是地球演化到今日，已成为一颗冷行星。实际上，室温下物质的电离成分完全可以忽略不计，即使温度上升到一万度，电离成分也不过千万分之一！等离子体的研究主要分为高温和低温等离子体两大方面。高温等离子体中的粒子温度高达上千万以至上亿度，可以使粒子有足够的能量互相碰撞，达到核聚变反应。氢弹就是人类历史上第一次成功应用高温等离子体的产物。氢弹是用原子弹作为“引信”，发出高热，从而产生高温等离子体，引发猛烈的核聚变，释放巨大的破坏性能量。核聚变如果用于和平目的，把其变成一种新能源，那么核聚变就必须是缓慢地、持续地、可以控制地进行，这正是半个世纪以来高温等离子体物理研究的重点。空间等离子体研究也是高温等离子体研究的一个重要部分。宇宙中99%以上的物质均是等离子体，而我们的太阳也就是一团巨大的等离子体，因此空间等离子体研究在宇航时代具有极其重要的作用。一般来说，人们把温度在10万度以下的等离子体称为低温等离子体，低温等离子体大多是弱电离、多成分、并与其它物质有强烈的相互作用。低温等离子体能够由人类的技术来产生，因此被广泛应用于科学技术和工业的许多领域。现在，低温等离子体技术已经成为非常先进的工业加工技术，例如未来所有的超大规模集成电路，都将依靠等离子体加工；航天、冶炼、切割、喷涂等领域都需要低温等离子体技术。第2课超级大原子物质第五态如果物质不断冷下去、冷下去一直冷到不能再冷下去，比如说，接近绝对零度(-273.16)吧，在这样的极低温下，物质又会出现什么奇异的状态呢？这时，奇迹出现了所有的原子似乎都变成了同一个原子，再也分不出你我他了！这就是物质第五态玻色-爱因斯坦凝聚态(以下简称“玻爱凝聚态”)。这个新的第五态的发现还得从1924年说起，那一年，年轻的印度物理学家玻色寄给爱因斯坦一篇论文，提出了一种关于原子的新的理论，在传统理论中，人们假定一个体系中所有的原子(或分子)都是可以辨别的，我们可以给一个原子取名张三，另一个取名李四，并且不会将张三认成李四，也不会将李四认成张三。然而玻色却挑战了上面的假定，认为在原子尺度上我们根本不可能区分两个同类原子(如两个氧原子)有什么不同。玻色的论文引起了爱因斯坦的高度重视，他将玻色的理论用于原子气体中，进而推测，在正常温度下，原子可以处于任何一个能级(能级是指原子的能量像台阶一样从低到高排列)，但在非常低的温度下，大部分原子会突然跌落到最低的能级上，就好像一座突然坍塌的大楼一样。处于这种状态的大量原子的行为像一个大超级原子。打个比方，练兵场上散乱的士兵突然接到指挥官的命令“向前齐步走”，于是他们迅速集合起来，像一个士兵一样整齐地向前走去。后来物理界将物质的这一状态称为玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。这就是崭新的玻爱凝聚态。然而，实现玻爱凝聚态的条件极为苛刻和矛盾：一方面需要达到极低的温度，另一方面还需要原子体系处于气态。极低温下的物质如何能保持气态呢？这实在令无数科学家头疼不已。后来物理学家使用稀薄的金属原子气体，金属原子气体有一个很好的特性：不会因制冷出现液态，更不会高度聚集形成常规的固体。实验对象找到了，下一步就是创造出可以冷却到足够低温度的条件。由于激光冷却技术的发展，人们可以制造出与绝对零度仅仅相差十亿分之一度的低温。并且利用电磁操纵的磁阱技术可以对任意金属物体实行无触移动。这样的实验系统经过不断改进，终于在玻色爱因斯坦凝聚理论提出71年之后的1995年6月，两名美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒分别在铷原子蒸气中第一次直接观测到了玻爱凝聚态。这三位科学家也因此而荣膺2001年度诺贝尔物理学奖。此后，这个领域经历着爆发性的发展，目前世界上己有近30个研究组在稀薄原子气中实现了玻爱凝聚态。玻爱凝聚态有很多奇特的性质，请看以下几个方面：这些原子组成的集体步调非常一致，因此内部没有任何阻力。激光就是光子的玻爱凝聚，在一束细小的激光里拥挤着非常多的颜色和方向一致的光子流。超导和超流也都是玻爱凝聚的结果。玻爱凝聚态的凝聚效应可以形成一束沿一定方向传播的宏观电子对波，这种波带电，传播中形成一束宏观电流而无需电压。原子凝聚体中的原子几乎不动，可以用来设计精确度更高的原子钟，以应用于太空航行和精确定位等。玻爱凝聚态的原子物质表现出了光子一样的特性正是利用这种特性，前年哈佛大学的两个研究小组用玻色-爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零，将光储存了起来。玻爱凝聚态的研究也可以延伸到其它领域，例如，利用磁场调控原子之间的相互作用，可以在物质第五态中产生类似于超新星爆发的现象，甚至还可以用玻色-爱因斯坦凝聚体来模拟黑洞。随着对玻爱凝聚态研究的深入，又一次彻底的技术革命的号角已经吹响。第3课突破第五态，创造第六态物质形态到此就结束了吗？还没有。在过去几年内，玻爱凝聚态只能由一类原子形成，这就是玻色子，而费米子是不能形成的。什么是费米子？什么是玻色子？我们需要先走入由基本粒子组成的原子世界。很早以前，人们就知道原子是由电子和原子核组成，而原子核又由质子和中子组成。20世纪初，物理学家们发现了正电子和光子，开始探寻更小的粒子，发现原子核还可以分成更小的“小不点儿”：中微子、介子、超子、变子等等，物理学家把它们统称为“基本粒子”。早期发现的基本粒子根据各自遇到的“力”可以被分为4类：光子，轻子，介子和重子。20世纪80年代又发现了胶子，W玻色子和Z玻色子。这些基本粒子在宇宙中的“用途”可以这样表述：构成实物的粒子(轻子和重子)和传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)。在这样的一个量子世界里，所有的成员都有标定各自基本特性的四种量子属性：品质、能量、磁矩和自旋。这四种属性当中，自旋的属性是最重要的，它把不同将粒子王国分成截然不同的两类，就好像这个世界上因为性别将人类分成了男人和女人一样意义重大。粒子的自旋不像地球自转那样是连续的，而是是一跳一跳地旋转着的。根据自旋倍数的不同，科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类。费米子是像电子一样的粒子，有半整数自旋(如1/2，3/2，5/2等)；而玻色子是像光子一样的粒子，有整数自旋(如0，1，2等)。这种自旋差异使费米子和玻色子有完全不同的特性。没有任何两个费米子能有同样的量子态：它们没有相同的特性，也不能在同一时间处于同一地点；而玻色子却能够具有相同的特性。基本粒子中所有的物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料(如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子)；而传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)都是玻色子。玻色子在我们的宇宙只占了一半的份额，剩下一半是由费米子组成的物质世界。玻爱凝聚态只能由玻色子来形成实在是太遗憾了。那么为什么费米子无法形成玻爱凝聚态呢？意大利物理学家恩里科费米和美国物理学家狄拉克指出：由于费米子具有半整数自旋，他们的相互作用会遵循泡利不兼容原理(这条规则不适用于玻色子)。这条原理指出：任何两个费米子都不可能具有同样的量子态，从而在空间排布上，无法处在同一位置，当一个费米子占据了最低的能级以后，其它的费米子只能依次往外排列了。这条非常重要的原理排除了很紧密地挤在一起的费米子群的可能性，所以即使在绝对零度时，这些费米子仍然不能达到全同而凝聚起来，这些细微的差异导致他们走在一起时总是先来靠里，后来者往外排队的现象。但是费米子占据了我们宇宙太重要的地位，它是物质世界的基石。此外，人类长久以来寻求的高温超导梦想仍然无法从理论上得到突破，至今人类一直无法突破135C以上的界限而使超导发生。电子作为费米子的一类，如果了解了原子费米子凝聚的机理，对电子费米子的凝聚秘密将彻底揭示出来。并且费米冷凝体中的可见实物原子对非常相似地仿真了超导体中电子对的组成，成为一个看得见的工具，人们再也不必从纯粹的想象中寻找超导秘密的暗道。第4课比梦更离奇的狂想曲 当前世界，粒子与凝聚态物理学领域的顶尖物理学家梦寐以求的这种物质状态就是所谓的“费米子凝聚态”，费米子凝聚态，从语意分析来说，费米子的物理含义是不能被聚集在一个量子基态的粒子，而凝聚态则表示粒子沉积在一个能量级别上。这个名词本身是一对矛盾，但奇妙的就是现实与理论的矛盾冲突被天才的技巧平复了。解决这个矛盾首先来自超导现象的启发。巴丁、库珀和施里弗(他们共同荣获1972年诺贝尔物理学奖)提出一个对金属的超导进行解释的理论BCS理论，其基本思想是，在极低温下的金属中的电子费米子，会彼此结合成对，这种电子对称为库柏对。结合成库柏对的电子费米子表现出玻色子的特性，这样，物理学家就找到了一个制造“费米子凝聚态”的方法。他们将费米子成对转变成玻色子，两个半整数自旋组成一个整数自旋，费米子对就起到了玻色子的作用，所有气体突然冷凝至玻爱凝聚态。既然电子可以这样行事，为什么原子不可以呢？运用这个理论，科学家们开始对另一种费米子3He同位素进行实验。后来果然发现了3He的玻爱凝聚态所导致的超流现象：超流液态氦被小心注入烧杯的中央时，它会立即从底部沿着烧杯壁向上“爬出”杯口而漫溢出来！但是这种冷凝所涉及的机理非常复杂。这毕竟是一个成功的开始。德博拉吉恩坚信采用这个途径可以达到目的。他们首先成功地实现了钾-40原子气体的费米冷凝，这些被冷凝的气体有一个特殊的名字简并费米气体。简并费米气体中包含有两种不同自旋方向的费米子，它们可以用来形成原子对而成为类玻色子的二元体。这是一种非常规意义上的量子气态物质，是通向费米冷凝体的必经之路。制造它们也是一个高难度的冷凝过程，当温度降到10亿分之一K以下时，这些原子仍然没有由于过强的原子作用而形成凝聚态。如何将这些信奉“终身独立”的费米子劝说组成库柏对，进而形成凝聚态呢？他们采用了一个魔术般的磁场，50纳开氏温度(与绝对温度只差0.00000005K)下，