我们常见的物质状态有三种:固态、液态和气态,它们是相同元素或分子根据其化学键的强度占据的不同状态。固体中的强键使材料保持刚性,但加热后这些键会断裂并留下较弱的键,使粒子之间可以彼此流动,这就是液体。进一步加热它,弱键断裂,粒子在空间自由飞行。瞧,这是一种气体。
你们中的一些人可能还知道,如果我们继续升温,电子从原子中分离出来,在此过程中破坏所有分子键并产生等离子体。于是,我们似乎得出结论,物质状态只是原子可以处于的不同状态。但是等等,质子和中子内部的夸克是“物质”,那它们是什么状态?它是否取决于它们所属的原子的物质状态?
相图
要回答这些问题,我们最好弄清楚物质的状态是什么。如果要根据在学校学到的物质状态(固态、液态、气态和等离子)来进行推理,那么一个简单的模式是显而易见的。温度的变化会导致状态或相的变化,相变发生在材料特定的温度和压力下。考虑物质相与温度和压力的二维关系,并把它制成图,我们称之为相图。
相图向我们表明,物态远比固体、液体、气体要复杂得多。一方面,物质存在秘密的隐藏状态。例如,在高于临界点的温度和压力下,气体和液体之间的界限变得模糊,我们拥有一种具有两者特性的超临界流体。
夸克-胶子
如果我们继续提高等离子体的温度会发生什么?等离子体仍然由复合粒子组成:电子和原子核。就像我们在制造等离子体时撕裂原子一样,如果我们将温度提高到足够高,我们就可以撕裂核子。我们将需要大约 7 万亿开尔文的高温,这就是所谓的哈格多恩温度,因为核子的结合能极高。
当我们达到该温度时,夸克从核子中剥离出来,产生夸克-胶子等离子体,这是我们能得到的下一个状态。胶子和夸克之间的相互作用仍然很重要,因此夸克-胶子等离子体的行为更像是一种液体。我们经常在粒子加速器中制造这种东西,但数量非常少。然而,在非常早期的宇宙中,一切都是夸克-胶子等离子体,在大质量中子星的核心中也可能如此。
如果夸克胶子等离子体是液体状的,这是否意味着它可以冻结?是的,而且它的冷冻形式是一个核子,更一般地说是强子:质子、中子还有各种夸克组合。强子实际上是夸克-胶子等离子体的“晶体”,它是“固体”形式的物质。
夸克相图
对于量子色动力学来说,夸克物质又被 QCD 物质,它是夸克和胶子相互作用的物理学。夸克物质有它自己的物质状态,让我们看看它的相图。请注意,它的相图和上述所提到的相图有所不同,压力被重子化学势所取代,它表明夸克可以吸收或发射多少能量。
在相图的上方,夸克-胶子等离子体实际上是原子物质中气体的类比,即使它的行为更具流动性。在相图的左下角,强子是所谓的“固体”。如果在这张图上向右移动,我们就钻入中子星。首先,各个夸克“晶体”融合在一起,形成一种所谓的中子流体,然后中子溶解,我们最终得到了非常奇怪的液态夸克物质形式。
其他
我们最熟悉的物质状态可以解释为粒子在经典力下的相互作用。但是一旦你把量子力学带入,许多奇怪的物质状态就成为可能。例如,在玻色-爱因斯坦凝聚体等简并物质中,所有量子态都被占据,从而导致一些令人惊讶且有用的涌现特性,如超导性和超流性。
时间晶体是最新的,也许是最奇怪的物质量子态。这些是纠缠粒子的配置,即使它们没有能量,它们也会在状态之间振荡。在常规热力学中,最低能量对应于绝对零温度,这反过来意味着粒子的零运动。时间晶体的最低能量状态涉及实际运动,这使得它们在热力学上与其他物质状态不同,因此它们有资格作为自己的物质状态。
本文来自微信公众号:万象经验 (ID:UR4351),作者:Eugene Wang
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