第五态（第五套广播体操原版）

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1、物质的第五态、第六态是什么样的？ 2、温度与物性有什么样的关系?什么是物质的第五态? 3、自然界的物质通常有固态、液态、气态，还有第四态吗 4、玻色-爱因斯坦凝聚态的第五态 5、物质的第4，5态是什么？ 物质的第五态、第六态是什么样的？

通常所见的物质有三态：气态、液态、固态，再加上以火为代表的第四种状态——等离子态。除此之外，物质还被认为有两种状态：超固态和中子态。处于等离子态的物质，电子与原子核彼此分离。在白矮星里面，压力和温度高，这种状态下，不但原子之间的空隙消失，原子外围的电子层也被压碎了，所有的原子核和电子都紧紧地挤在一起，不再有什么空隙。这样的物质被称做超固态。在我们居住的地球的中心，就存在着这种超固态物质。假如在超固态物质上继续加压，原子核和电子突破挤压的极限，原子核只能解体，从里面放出质子和中子。从原子核里放出的质子，在极大的压力下会和核外电子结合成为中子。这样一来，物质的构造发生了根本的变化，原来是原子核和电子，现在却都变成了中子。这样的状态，叫做中子态。中子态物质的密度比超固态物质要大十几万倍，火柴盒大小的中子态物质重达30亿吨。在宇宙中，估计只有少数恒星，才具有这种形态的物质。

温度与物性有什么样的关系?什么是物质的第五态?

物质第五态：玻色-爱因斯坦凝聚态。

玻色—爱因斯坦凝聚可看作是低密度原子气体冷却到接近绝对零度并且坍缩成非常致密的量子态时形成的物质状态。该状态的特性使其成为感应极小的惯性力的理想选择，而且它们可用于测量重力加速度——保持原子做自由落体运动可以增加这些测量的灵敏度。研究玻色—爱因斯坦凝聚等量子系统，非常有助于增加我们对引力波、广义相对论和量子力学的理解。

早在1925年爱因斯坦就预言，在极低的温度下，服从玻色—爱因斯坦统计的原子可能会发生转变——随温度不断逼近绝对零度，越来越多的原子会聚集于最低的能量状态上，直到几乎所有的原子都处于这一个能量状态上，整体呈现一个量子状态，所有的原子似乎都变成了同一个原子，不再分你我他。这种状态后来被命名为玻色—爱因斯坦凝聚，也被称为是与气态、液态、固态、等离子态并列的“物质的第五态”。　

自然界的物质通常有固态、液态、气态，还有第四态吗

迄今为止，人类发现物质有六态

第四态为等离子态

将气体加热，当其原子达到几千甚至上万摄氏度时，电子就会被原子被"甩"掉，原子变成只带正电荷的离子。此时，电子和离子带的电荷相反，但数量相等，这种状态称做等离子态。人们常年看到的闪电、流星以及荧光灯点燃时，都是处于等离子态。人类可以利用它放出大量能量产生的高温，切割金属、制造半导体元件、进行特殊的化学反应等. 在茫茫无际的宇宙空间里，等离子态是一种普遍存在的状态。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。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

（等离子态，电浆，英文：Plasma）是一种电离的气体，由于存在电离出来的自由电子和带电离子，等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。等离子态在宇宙中广泛存在，常被看作物质的第四态（有人也称之为“超气态”）。等离子体由克鲁克斯在1879年发现，“Plasma”这个词，由朗廖尔在1928年最早采用。

等离子体和普通气体的最大区别是它是一种电离气体。由于存在带负电的自由电子和带正电的离子，有很高的电导率，和电磁场的耦合作用也极强：带电粒子可以同电场耦合，带电粒子流可以和磁场耦合。描述等离子体要用到电动力学，并因此发展起来一门叫做磁流体动力学的理论。

组成粒子和一般气体不同的是，等离子体包含两到三种不同组成粒子：自由电子，带正电的离子和未电离的原子。这使得我们针对不同的组分定义不同的温度：电子温度和离子温度。轻度电离的等离子体，离子温度一般远低于电子温度，称之为“低温等离子体”。高度电离的等离子体，离子温度和电子温度都很高，称为“高温等离子体”。

相比于一般气体，等离子体组成粒子间的相互作用也大很多

第五态：超固态（典型代表物：白矮星）

美国科学家宣称他们可能发现了物质存在的新状态———超固态（或超固体）。如果他们的发现是正确的话，那么他们见到的则是物质的一种十分奇异的状态。该状态下的物质为一种晶体固态，但能像滑润的、无粘性的液体那样流动。

无粘性液体的行为相当独特，人们认识它已有多年，并将它们称为超流体。当容器中的超流体被搅拌后，它将永久地保持旋涡形状，这是在普通液体中无法看到的现象。此外，超流体甚至可以沿着容器的一边向上蔓延并高出容器的顶端。过去，研究人员利用氦—4和氦—3首次发现两种超流体。这两种物质的超流体行为或现象需要在冷却到接近绝对零度时才会出现。

据1月15日《自然》杂志网络版介绍，美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员永顺•金和摩西•陈表示，他们已将冷冻的氦—4成功地转变成超固体。实验中，他们将氦—4充进多孔带有狭窄通道的维克玻璃盘中，接着冷却玻璃盘并附加60多个大气压的压力。然后，将该玻璃盘进行旋转，在高于绝对零度0.175摄氏温度时，这时的氦—4应该仍然是固态，他们却发现玻璃的旋转突然开始变得轻松。对此现象的解释是固态的氦—4具有了液态的流动性，这导致旋转变得容易。也就是说氦—4这时的状态为超固态。

金和陈表示，如果不借用超固体的观点，他们很难解释他们发现的现象。然而，加拿大阿尔伯特大学研究人员约翰•比米西却认为，金和陈的宣称肯定会引起一些争议。比如，有学者可能会认为，实验中部分液态氦仍然覆盖在维克玻璃多孔的表壁并变成超流体，导致玻璃多孔盘旋转加快。但金和陈坚持认为他们的发现不像是比米西所说的这种情况。

第六态：中子态（典型代表：中子星）

假如在超固态物质上再加上巨大的压力，那么原来已经挤得紧紧的原子核和电子，就不可能再紧了，这时候原子核只好宣告解散，从里面放出质子和中子。从原于核里放出的质子，在极大的压力下会和电子结合成为中子。这样一来，物质的构造发生了根本的变化，原来是原子核和电子，现在却都变成了中子。这样的状态，叫做“中子态”。

超固态 如白矮星，超固态是原子与原子核被挤在一起，物质密度比正常物质高上亿倍。

而中子态，则比超固态密度还高，当超固态压力再增加，会将核外电子与核内质子中和生成中子，这样原来的原子就全变成了中子，中子与中子之间压在一起，密度比超固态高10万倍

[img]玻色-爱因斯坦凝聚态的第五态

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（-273.15℃）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”—— 玻色-爱因斯坦凝聚态）

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，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，2001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他领域，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。

物质的第4，5态是什么？

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“玻色一爱因斯坦凝聚态”。去年，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”。

回顾物质前五态

人们通常所见的物质是由分子、原子构成的。处于气态的物质，其分子与分子之间距离较大。而对液态物质来说，构成它们的分子彼此靠得很近；分子一个挨着一个，它的密度要比气态的大得多。至于固态物质，它们的原子一个挨着一个，并相互牵拉，这就是固体比液体硬的原因。而被激发的电离气体电离到一定程度后，便处于导电状态，这种状态的电离气体表现出集体行为，即电离气体中每一带电粒子的运动，都会影响其周围带电粒子，同时也受其他带电粒子的约束。因为电离气体内正负电荷数相等，所以电离气体整体表现出电中性，这种气体状态被称为等离子体态。由于它的独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故称为物质第四态。

所谓“玻色一爱因斯坦凝聚态”，是科学巨匠爱因斯坦在70 年前预言的一种新物态。为了揭示这个有趣的物理现象，世界科学家为此付出了几十年的努力。 1995年，美国科学家维曼、康奈尔和德国科学家克特勒首先从实验上证实了这个新物态的存在。为此，2001年度诺贝尔物理学奖授予了这3位科学家，以表彰他们在实现“玻色一爱因斯坦凝聚态”研究中作出的突出责献。

“玻色一爱因斯坦凝聚态” 是物质的一种奇特的状态，处于这种状态的大量原子的行为像单个粒子一样。这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚” 到同一状态，要达到该状态，一方面需要物质达到极低的温度，另一方面还要求原子体系处于气态。华裔物理学家朱棣文，曾因研究出激光冷却和磁阱技术这一有效的制冷方法，而与另两位科学家分享了1997年的诺贝尔物理学奖。“玻色一爱因斯坦凝聚态”所具有的奇特性质，不仅对基础研究有重要意义，在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域，也都有很好的应用前景。

何为“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“玻色一爱因斯坦凝聚态”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，粒子按其在高密度或低温度时集体行为可以分成两大类：一类是费米子，得名于意大利物理学家费米；另一类是玻色子，得名于印度物理学家玻色。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。“玻色一爱因斯坦凝聚态”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。当物质冷却时，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”是如何创造出来的？

科学家们在1995年已成功地通过将具有玻色子特征的原子气体冷却至低温，获得所谓的 “玻色一爱因斯坦凝聚态”。由于没有任何2个费米子能拥有相同的量子态，费米子的凝聚一直被认为不可能实现。去年，物理学家找到了一个克服以上障碍的方法，他们将费米子成对转变成玻色子。这一研究为创造“费米子凝聚态”铺平了道路。

德博拉·金领导的联合研究小组，将具有费米子特征的钾原子气体冷却到绝对零度以上的十亿分之一度，此时钾原子停止运动。绝对零度相当于一273．15℃。试验中，科学家用激光方法远远达不到费米子凝聚所要求的温度。为此，还要把原子放到“磁杯”中进行蒸发冷却。他们将气体约束在真空小室中，并采用磁场和激光使钾原子配对，成功地创造出“费米子凝聚态”。

费米子与超导体有哪些不同？

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。当然，现在的技术并不能使所有费米子都可以发生费米冷凝，而且所获得的冷凝体还相当脆弱——比玻璃还要脆！但这只是技术问题。

第六态催生下一代超导体

这项成果在超导技术上的应用前景非常广阔，有助于下一代超导体的诞生，而新一代超导体技术可在电力工程、电能输送、电动机与发电机的制造、磁流体发电、超导磁悬浮列车、超导计算机、超导电子器件、地球物理勘探、地质学、生物磁学、高能加速器与高能物理研究等众多领域和学科中大显身手

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