如梦似幻第六态物质(图)

　　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(—173.15°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。

　　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。

　　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。