为什么物理学家能不断发现新的物质状态？

我们常见的物质有三种基本状态，即固态、液态和气态。这是理解我们物理世界的一个简单方法。当然，如果你还记得高中的一些科学知识，你可能会想到物质的第四种状态:等离子态。如果你关注科学新闻，你可能听说过玻色-爱因斯坦凝聚。有五种物质状态。

退化的物质呢？拓扑超导体和时间晶体呢？是的，尽管我们在日常生活中没有遇到它们，但这些都是合理的物质状态(或“阶段”)。事实上，物理学家已经发现了许多物理状态，可能有数千种。与此同时，他们仍在寻找新的物质条件。据推测，我们可能会发现数百万种可能的物质状态。

当然，三种最基本的物质状态早已为人所知。到19世纪下半叶，当电学实验首次产生等离子体时，科学家们意识到可能会有更多新的物质状态。玻色-爱因斯坦凝聚理论最早于1924年提出。在那之后，我们对物理学的理解继续扩展。人们很快发现，即使在日常生活中，物质的状态也远远超出了最初的想象。

对物理学家来说，冰箱上的磁铁和冰箱本身是不同形式的物质。酒杯和放置酒杯的木架也代表了两种不同的物质状态。

一种物质的状态只表示组成该物质的原子或其他粒子的排列，不同的排列产生不同的性质。例如，在固体中，分子以晶格结构排列，这增加了材料的刚性。在液体中，分子相互流动，但它们不能像在气体中那样容易地相互靠近或远离。在等离子体中，分子就像在气体中一样流动，但是它们的电子可以*移动，使得导电变得容易。

物质的分子和组成粒子以无数种方式排列。例如，在固体中，分子有230种排列方式来形成三维晶体结构。这些排列也被称为“空间群”。每个空间组代表一种材料形式。根据电子的排列，230个空间群中的每一个都可以是导体或绝缘体，这也使它成为不同形式的物质。

当温度很高或很低，压力很高时，正常物质会变形为各种奇特的状态。例如，在中子星内部，原子核可能被压缩成“简并”物质，电子和质子*结合形成中子，甚至进一步形成仅由基本粒子组成的夸克胶子等离子体。在另一个极端，当分子温度接近绝对零度时，量子力学开始在宏观尺度上可见。当一堆原子冷却到接近绝对零度时，就会形成玻色-爱因斯坦凝聚，它们的行为就像单个原子一样。这给了这些原子独特的性质，仿佛它们完全没有粘性。换句话说，你可以创造一个永远旋转的小漩涡。

荷兰阿姆斯特丹大学凝聚态理论副教授贾斯帕·范·韦泽尔说，我们能够发现新物质状态的部分原因非常简单，因为有太多的物质需要发现。“原子、分子或任何你能安排的东西都具有这些特征，”他说。“发现所有这些可能性只是时间问题。”

随着技术的进步，我们也可以在更极端的条件下以更高的精度进行实验。例如，我们现在可以观察到不同物质中的粒子有不同的自旋。自旋是粒子的固有特性，可以产生磁力。

“在20世纪50年代，你所要做的就是测量磁化强度，然后说，‘看，这两样东西是有磁性的——我可以把它们粘在冰箱上’，仅此而已，”范·维特塞尔说。“但是现在我们有了一个深入物质内部的工具，可以观察每个粒子的旋转。我们可以说，‘看，它们是有磁性的，但是在这种情况下，三分之一的自旋是相反的，在那种情况下，不是这样，所以它们是不同的。"

利用这些新发现，物理学家也许能够操纵这些自旋来创造具有全新性质的物质。材料利用的各种可能性的发现也是物理学家如此痴迷于发现新材料状态的原因之一，因此新阶段令人兴奋。

美国莱斯大学的物理学助理教授卡登·哈扎德说:“每次我们发现一个新的物质阶段，它都会给我们一系列其他物质阶段无法比拟的特征。”。“如果你所有的东西都是液体，有人递给你一块砖头，你会突然有一种新的能力去抵抗过去无法抵抗的东西。”

例如，当一些材料被冷却到非常低的温度时，它们可以变成超导体，这意味着它们可以传输零电阻的电流。如果将这项技术应用到商业领域，可以大大减少向家庭输电的输电线路的损耗，或者大大提高计算机的工作效率。

最近发现的一种叫做“拓扑超导体”的物质状态就像内部的电绝缘体，但是它的边缘是导电的。这些独特的特性可以用于量子计算机，以保护存储信息的脆弱量子位。

还有一些物理性质我们还没有发现，但是物理学家认为应该存在，这是非常有希望的。例如，室温超导体一直被认为是凝聚态物理的“圣杯”。这种材料将彻底改变我们使用电的方式，从而彻底改变我们未来的生活。

物理学家热衷研究的另一种物质是量子自旋液体。在量子自旋液体中，粒子的自旋会相互影响，以意想不到的方式产生磁性。这种物质可能会推动我们发展更好的量子计算机，甚至有助于创造室温超导体。

物理学家有时不必寻找理论上应该存在的材料，但应该做相反的事情，试图解释为什么一些新创造的材料会以完全意想不到的方式表现。也许最好的例子是分数量子霍尔效应。想象一堆电子在二维材料的磁场中运动。与系统有关的电荷应该是电子，即电子携带的电荷；然而，当科学家测量时，他们发现电荷正好被e除以3。

哈扎德说:“这让实验者很惊讶，因为里面没有比E更低的电荷。”他把这比作扔在台球桌上的一堆台球，看着它们掉进袋子里，但不知何故，这些移动的台球的重量只有正常重量的三分之一。

台球的类比听起来很荒谬，但是在量子水平上，情况就不同了。科学家发现，当电子一起运动时，它们的运动使它们的行为就像携带了三分之一的实际电荷。这也意味着这些电子已经成为一种全新的物质状态。

类似的发现促使物理学家寻找新的物质状态，如寻宝。物理定律中一定隐藏着更多意想不到的物质属性。当粒子以适当的方式排列并与物理状态融合形成新的物理实体时，我们可能会拥有我们以前从未梦想过的能力。