物质三态图讲解：物质七态

物质三态图讲解：物质七态那泡利不相融原理说的是，两个量子在相同的费米子不能处在同一空间。这个原理其实非常厉害，它解释了为什么原子的电子会按照一定的规律在原子核外一层一层的排列，当然也解释了为什么我们这个世界会有这么多丰富的元素，也解释了原子为什么会有体积。所以这个原理在量子力学中非常的重要，比如说，在一个原子当中，其中的电子都喜欢处在最低的能量状态，也就是基态。 那按理来说，所有的电子都会拥挤在第一个能级上，也就是离原子核最近的地方，是所有电子都喜欢的地方。 但是由于泡利不相融原理，在同一空间内不能有两个甚至两个以上的量子态相同的电子，所以第一个能级就只能带两个自旋相反的电子。那其他的电子就要往更高的能级上继续的排列，然后排满了以后再上一个能级，就这样一层一层的在原子核外排列。 但波色子不一样，它没有这么多的讲究，你不管来多少个波色子，都可以处在最低的能量状态，如果我们现在让大量的波色子处在相同的最低的能量状态，

在宇宙中有七种物质状态，那我们最熟悉的就是固体，液体和气体。那还有另外四种状态，包括高温等离子体，夸克·胶子等离子体，以及波色·爱因斯坦凝聚态，费米子凝聚态。

我平时能够看到的所有的东西，基本上都是由原子和分子构成的，它们会根据所处环境的压力，还有温度，表现出三种常见的物质形态-（固体液体气体）比如我们最常见的水，当温度低的时候，水分子没有活力，他们懒得动，然后通过氢键就结合在了一起，变成了固体。当温度升高一点，水分子就会变得活跃，这个时候大部分的氢键就会断裂，水就变成了液体。当温度达到100摄氏度，水分子就会彻底的脱离水的束缚，变成气体。那可以看出固液气这三种物态就是分子或者原子之间化学键的变化，是原子和分子层面的变化。

当温度再升高的话，分子和原子的结构就会破坏。我们还拿水来说，当温度达到2000到3000摄氏度的时候，水分子就会被分解成氢和氧，如果温度再升高的话，氢和氧也会被电离，也就是原子中的电子被提了出来（电子离开原子核的束缚变成自由电子）。这个时候水就变成了带正电的质子和氧离子以及带负电的电子。这就是物质的第四种状态，高温等离体。任何的物质只要温度足够高，都会被电离成这种状态，那高温等离体最常见的就是火焰，里面有很少的带电离子以及电子。

不过高温下的物质状态到这里并没有结束，因为我们知道原子核的内部还有结构，它是由质子核中子通过强力组成的束缚态，当温度再升高的话，原子核的结构也会被破坏，从束缚态变成自由质子和中子，质子和中子也是复合粒子，它们分别是由三个夸克以及传递强烈的胶子组成。当温度足够高的话，质子核中子也会被分解成夸克·胶子等离子体。（能在约10微秒内充斥宇宙，再凝聚成原子核等物质）这就是物质的第五种状态。这种物态在目前来说当中并不存在，这是因为强力渐近自由的属性导致的。也就是说，在目前低等的状态下，跨克只能处在束缚的状态，这被称为夸克禁闭。如果你想把夸克从质子中拉出来，就必须提供非常大的能量，这个能量足以让这个夸克从真空中再拉出一个反夸克和自己结合在一起。所以目前的宇宙中并不存在自由夸克。但当宇宙大爆炸开始后的大约一微秒内，当时还没有制造中子，只有夸克·胶子等离子体，这种状态存在了极短的时间，然后夸克就变成了束缚状态。

那目前世界上最强大的粒子对撞机，比如布鲁克海文的相对论重离子对撞机，还有欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，正在通过高能碰撞对夸克·胶子等离子体进行实验研究。但由于跨克是我们目前所知的一种基本粒子，所以高温状态下的物材到这就结束了。

但如果我们现在再回过头来看，往低温这个方向走，就会创造出物质的第六种，第七种状态-波色·爱因斯坦凝聚态（玻色子原子在绝对零度下所呈现的物质状态）以及费米子凝聚态。那我们知道在宇宙中每一种粒子，不管它是基本粒子还是复合离子，都可以分为两类。费米子和波色子。费米子的自旋是半整数，比如±1/2，±3/2，±5/2。波色子的自旋是整数，比如0，±1，±2等等。那这个正负的区别，就是我们常说的自旋向上和向下的这个区别，我们知道常见的电子，是一个基本离子，它的自旋是正负1/2，所以是一个费米子。质子和中子自旋也是正负1/2，也是一个非离子。在标准模型中，构成物质的基本粒子都是费米子。但是费米子也可以在组合一起变成自旋为整数的复合离子。

比如说当一个质子和一个中子结合在一起的时候，就是氢的同位素氘核，那么这个氘核的自旋就是质子和中子组合在一起的自旋值，不是0就是±1。这说明氘核跟波色子的性质是一样的。因为它的自旋是一个整数。费米子和波色子这两类粒子有一个最大的区别，就是费米子它遵循泡利不相融原理，波色子它不遵循这个原理。

那泡利不相融原理说的是，两个量子在相同的费米子不能处在同一空间。这个原理其实非常厉害，它解释了为什么原子的电子会按照一定的规律在原子核外一层一层的排列，当然也解释了为什么我们这个世界会有这么多丰富的元素，也解释了原子为什么会有体积。所以这个原理在量子力学中非常的重要，比如说，在一个原子当中，其中的电子都喜欢处在最低的能量状态，也就是基态。 那按理来说，所有的电子都会拥挤在第一个能级上，也就是离原子核最近的地方，是所有电子都喜欢的地方。 但是由于泡利不相融原理，在同一空间内不能有两个甚至两个以上的量子态相同的电子，所以第一个能级就只能带两个自旋相反的电子。那其他的电子就要往更高的能级上继续的排列，然后排满了以后再上一个能级，就这样一层一层的在原子核外排列。 但波色子不一样，它没有这么多的讲究，你不管来多少个波色子，都可以处在最低的能量状态，如果我们现在让大量的波色子处在相同的最低的能量状态，也就最低的这个量子态。 那我们就创造出了物质的第六种形态，波色·爱因斯坦凝聚。比如氦的超流体状态，氦是由两个质子和两个中子组成的，它的自旋也是整数，所以它有波色子的性质。当我们把氦的温度加到2.17K以下的时候，那么所有的氦原子都处在同一种最低的能量状态，它们彼此之间一模一样，就像是一个原子一样不分彼此，所以氦就变成了一种没有粘性的超流体，这就是波色·爱因斯坦凝聚的结果。由于费米子没有波色子的性质，我们一直认为费米子的凝聚它不会出现，但是直到我们发现了超导体，我们才找到了让费米子像波色子一样凝聚的办法，这个办法就让费米子先变成库珀对。

（当超导体被冷却到足够低的温度的时候，电子在其中的这个流动就失去了阻力，这是因为在金属中正离子晶格的帮助下，其中两个能量非常低的电子就会表现出微小的吸引力，然后结合在一起就变成了自旋为整数的波色子，这就是库珀对。）

那组合在一起的电子就跟波色子是一样，它们都处在最低的能量状态，不再和正离子晶格发生散射了，所以电子运动起来就没有了阻力，这就是解释超导体的BCS理论。 因此在超导现象中，有两个费米子组合在一起形成库珀对，变成玻色子的这种现象，就是我们发现的第一种费米子凝聚态。 就在1971年的时候，氦-3也被证明在0.0625k这个极低的温度下，也表现出了超流的性质，这也是一种费米子凝聚态。因为氦-3是一种费米子，那两个氦-3组合在一起也就形成了库珀对，变成了玻色子。由于库珀对只有在极低的温度下才能稳定的存在，所以费米子的凝聚所需要的温度要比波色子低很多，可以看出费米子凝聚是建立在波色子凝聚之上的。也就是说没有波色爱因斯坦凝聚，费米子的凝聚也不可能存在。

这是我们的宇宙中目前所知的七种物质形态，两种高温状态下的物态，两种低温下的状态，以及三种我们最常见的物质状态。