北海居

火是自然界很常见的东西，也是大家日常生活中不可缺少的工具。我们的老祖先也正是学会了用火，才从茹毛饮血的原始状态慢慢进化成现代文明。可是，有多少人想过火是一种什么物质形态吗？

我们都知道物质在自然界的三种形态固态、液态和气态。固态、液态和气态都是我们非常熟悉的，也是中学物理讲到过的物质三种形态，把固态物质加热的一定程度，它就转变为液态，继续加热该液态物质到一定程度，液态就转变为了气态。例如，桌子是固态，水是液态，空气是气态。但是，火是这三种中的哪一种形态呢？都不是。火是第四种物质形态——等离子态。

什么是等离子态呢？等离子态又叫做物质的第四态，在自然界中，当电流通过某些流体（包括气体和液体）时，体的某些粒子便被电离，这样，电离和没电离的各种微粒子混合在一起，便形成等离子态。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(-173.15°C)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。

我们用水做例子：将冰加热到一定的程度，它就由固体变成为液体的水；温度再升高，又蒸发成气体。但要是将气体的温度继续升高，会得到什么样的结果呢？ 当气体的温度升高到几千度以上的时候，气体的原子就开始抛掉身上的电子，于是带负电的电子开始自由自在地游逛，而原子也成为带正电的离子。温度愈高，气体原子脱落的电子就愈多，这种现象叫做气体的电离化。科学家把电离化的气体，叫做“等离子态”。

除了高温以外，用强大的紫外线、X射线和丙种射线来照射气体，也可以使气体转变成等离子态。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。在广漠无边的宇宙中，它是最普遍存在的一种形态。因为宇宙中大部分的发光的星球，它们内部的温度和压力都高极了，这些星球内部的物质几乎都处在等离子态。只有在那些昏暗的行星和分散的星际物质里，才能找到固体、液体和气体。

就是在我们的周围，也经常能够碰到等离子态的物质。像在日光灯和霓虹灯的灯管里，眩目的白炽电弧中，都能找到它的踪迹。再有，在地球周围的电离层里，在美丽的极光、大气中的闪光放电和流星的尾巴里面，也能找到这种奇妙的等离子态。

等离子态是物质在高温下的形态，那么，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。

人类生存的世界，是一个物质的世界。然而，这个世界还有许多人们肉眼看不到的物质。过去，人们只知道物质有三态，即气态、液态和固态。20世纪中期，科学家确认物质第四态，即“等离子体态”。1995年，美国标准技术研究院和美国科罗拉多大学的科学家组成的联合研究小组，首次创造出物质的第五态，即“玻色－爱因斯坦凝聚态”。2004年1月29日，这个联合研究小组又宣布，他们创造出物质的第六种形态，即“费米子凝聚态”。

根据“费米子凝聚态”研究小组负责人德博拉·金的介绍，“费米子凝聚态”与“玻色－爱因斯坦凝聚态”都是物质在量子状态下的形态，但处于“费米子凝聚态”的物质不是超导体。

量子力学认为，自然界的粒子不是玻色子，便是费米子。这两类粒子特性的区别，在极低温时表现得最为明显：玻色子全部聚集在同一量子态上，费米子则与之相反，更像是“个人主义者”，各自占据着不同的量子态。“玻色－爱因斯坦凝聚态”物质由玻色子构成，其行为像一个大超级原子，而“费米子凝聚态”物质采用的是费米子。当物体冷却时，费米子逐渐占据最低能态，但它们处在不同的能态上，就像人群涌向一段狭窄的楼梯，这种状态称作“费米子凝聚态”。

费米子凝聚态与超导体有哪些不同呢？首先，费米冷凝体所使用的原子比电子重得多，其次是原子对之间吸引力比超导体中电子对的吸引力强得多，在同等密度下，如果使超导体中电子对的吸引力达到费米体中原子对的程度，制造出常温下的超导体立即可以实现。超冷气体中形成费米体为研究超导的机理提供了一个崭新的物质工具，因此，这项成果有助于下一代全新超导体的诞生。而下一代超导体技术可在电能输送、超导磁悬浮列车、超导计算机、地球物理勘探、生物磁学、高能物理研究等众多领域和学科中大显身手。

因此，到目前为止，物质有六种形态，分别是：固态、液态、气态、等离子态、波爱凝聚态、费米子凝聚态。至于还有没有第七种、第八种，乃至更多种的物质形态，则有待以后的科学发展去发现了。