稀有而極端的第六種物質狀態
物質一共有幾種狀態？
你可能從很早之前就知道三種最常見的狀態——固體、液體和氣體。在地球表面，這三態隨處可見，岩石是固體，水是液體，而我們呼吸的空氣是氣體。三種狀態在溫度和壓力的作用下可以相互轉換。
但這顯然不是故事的全貌。如果我們進入亞原子的世界，也就是在比原子更小的尺度上，更加精彩的故事剛剛展開。
原子實際上是由原子核以及核外的電子組成。如果用足夠的能量轟擊原子，把它的電子踢開，就能創造出電離等離子體，這是物質的第四種狀態。（詳見《神秘而強大的第四種物質狀態》。）
但是，除了最常見的三態，以及這種高能的電離等離子體之外，當物質處於極低溫的狀態下，比如接近絕對零度的時候，兩類粒子——玻色子與費米子也能以各自獨特的方式凝聚，從而創造出第五種和第六種物質狀態，它們分別被稱為玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）和費米凝聚。
在極低溫的狀態下，凝聚會出現，它們具有獨特的性質。| 圖片設計：雯雯；素材參考：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
要了解物質的第五和第六種狀態，我們可以先回憶一下粒子世界。
上個世紀，物理學家發現了原子核中的秘密。原子核其實還可以進一步被「拆分」成質子與中子，它們分別又由三個夸克組成。負責傳遞強核力的膠子就像膠水一樣，將三個夸克緊密地「粘」在一起。
質子（左）和中子（右）分別由三個夸克構成，u代表上夸克，d代表下夸克。負責傳遞強核力的膠子會將夸克牢牢地」粘「在一起。
夸克和電子都屬於標準模型中的基本粒子，也就是不可再分割的粒子。一個關鍵的點在於，標準模型中的每一種基本粒子，甚至宇宙中的每個複合粒子，要麼是費米子，要麼是玻色子。
當我們測量費米子的自旋（內稟角動量）時，總會得到以普朗克常數除以2π為單位的半整數值，比如1/2、3/2、5/2等等。相反，玻色子的自旋總是整數值，也就是0、1、2……
費米子與玻色子還有一個重要的區別是，費米子遵循泡利不相容原理，也就是說，在費米子組成的系統中，兩個或兩個以上的費米子不能佔據相同的量子態。但是，玻色子則沒有這樣的限制。因此，玻色子可以坍塌到相同的量子基態。這個過程就被稱為BEC，它被認為是超導的核心。
1995年，物理學家最早利用磁場，在銣原子蒸汽中得到了BEC。近日，在國際空間站，研究人員首次在失重條件下創造出了BEC。（詳見《首次在太空中，創造出第五種物質狀態》。）
那麼，如何才能達到第六種物質狀態？
事實上，費米凝聚的故事可以追溯到20世紀50年代，諾貝爾物理學獎得主庫珀（Leon Cooper）取得的一項令人震驚的突破。
電子是一種費米子，每一個電子都傾向於維持自己的量子態。但是，在一個溫度極低的導體中，帶負電的電子會輕微地改變導體中正電荷的「結構」，導致電子經歷一種微小的相對吸引力。這會導致兩個電子配對形成庫珀對。
在低溫的導體中，電子會配對形成庫珀對。| 圖片來源：Tem5psu/Wikicommons
而庫珀對的行為則更像玻色子，它們可以愉快地共享相同的態，從而實現費米凝聚。1971年，氦-3被證明在低於2.5毫開爾文（millikelvin）的溫度下會變成一種超流體，這是第一次證明一種只包含費米子的超流體。2003年，物理學家金（Deborah Jin）的實驗室利用強磁場和超低溫誘導原子，成功創造了第一個基於原子的費米凝聚。
費米子鉀原子對形成的凝聚的假色彩圖像。從左到右的圖像對應著隨磁場強度變化，形成費米子對的原子之間吸引力增強。| 圖片來源：Markus Greiner/University of Colorado, Boulder
費米凝聚所需的溫度比BEC所需的溫度更低，但它同樣表現為一種超流體。為了從物質中創造出費米凝聚，你必須達到一些特殊的極端條件，比如溫度低於50納開爾文（nanokelvin），外加時變磁場。
一些研究人員認為，有關BEC與費米凝聚的突破，能夠幫助我們理解超導性和超流性。金曾表示，她相信通過費米凝聚認識到的基本物理，最終將幫助其他科學家設計出更實用的超導材料。
與此同時，儘管這兩種物質狀態目前還只能在實驗室中被創造出來，但它們也有可能在宇宙中扮演著重要角色。在浩瀚的宇宙中，中微子（費米子）或暗物質（可能是費米子，也可能是玻色子）非常有可能聚集在一起，形成它們自己的凝聚。一些科學家相信，解開宇宙最大謎團之一的關鍵，有可能就藏在這些最稀有、最極端的狀態之中。
參考來源：
https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/06/09/what-are-the-fifth-and-sixth-states-of-matter/?from=from_parent_docs#79cb3cf54a7f
https://physicsworld.com/a/fermionic-condensate-makes-its-debut/
封面圖來源：Pixabay
