物質的基本形態，連科學家都震驚的神秘物質狀態

大家清楚物質存在哪些形態嗎 有過物理課堂學習經歷的朋友 或許會給出這樣的答覆吧 固體 液體以及氣體 總共三種形態 而如果是成績優異的同學 大概率還會滿懷信心地補充一句 還有等離子態 不過想要在今天這堂課裏拿下最高分 僅僅瞭解這些可遠遠不夠 在極端環境條件下 即便是我們平日裏熟悉的那些化學元素 也可能呈現出宛如魔法般的奇特形態 那究竟是一種怎樣的狀態呢 這裏是X解密局 只要完整看完這段影片 你就會徹底弄明白了 四種基本的物質形態 首先讓我們來簡單回顧一下基礎知識點 在這四種基本形態裏 固體 液體和氣體這三類 人類從舊石器時代起就已經有所知曉了 最容易理解的例子便是水 純水在0攝氏度時會凝結成冰 在100攝氏度時會沸騰氣化 這些都是自然界中十分常見的現象 並不需要特殊的極端條件 但物質從一種形態 轉變爲另一種形態所需的條件 並非一旦確定就永遠固定不變的常量 這些條件會受到諸多因素的影響 比如物質的化學構成就是其中之一 像含有鹽分的海水 就不會在0攝氏度時結冰 而是大約在零下2攝氏度 纔會出現結冰現象 而壓力則是影響更爲顯著的關鍵因素 舉個例子來說 在地球的海底 存在着一種名爲黑煙囪的熱水噴口 它們會噴射出溫度 高達200至300攝氏度的熱水 卻並未發生沸騰 相反的 在珠穆朗瑪峯的山頂上 你根本煮不出一碗美味的湯 因爲那裏的氣壓極低 水大約在68攝氏度時就會沸騰 導致無法充分加熱食材進行烹調 可爲什麼會出現這樣的情況呢 想要理解這段影片的主題 就必須先弄清楚這個原理 答案就隱藏在分子的運動規律之中 所以說 溫度的物理本質其實就是如此 構成物體的分子運動越劇烈 物體的溫度就越高 如果降低環境壓力 反之 提高壓力的話 分子就需要更多的能量才能活躍起來 也正因爲這樣 在高山頂部 水只需68攝氏度就會沸騰 而火星地表的水沸點也僅僅略高於零度 得益於物理學的不斷發展 到了19世紀末期 科學家們終於成功解釋了 物質的第四種形態 等離子態 在固體、液體、氣體這三種形態下 原子依然保持着自身的結構 但當溫度持續升高 就會啓動所謂的電離過程 也就是離子化的過程 在最簡單的熱離子化狀態下 原子會獲取大量能量 變得異常活躍 四處碰撞 其結果就是部分電子 會從原子中被撞擊脫離 或者有額外的電子附着到原子上 所謂等離子態 簡單來說就是這種 被離子化後的氣體形態 最常見的低溫等離子體實例就是火焰 順帶一提 在整個宇宙中已觀測到的種子物質裏 高達99.9%都處於等離子態 事實上 恆星本身就是由等離子體構成的 好了 現在我們已經大致瞭解了 四種基本物質形態及其背後的物理原理 接下來要帶大家認識一些 更令人驚歎的發現 如果我們把已經處於高溫狀態的 等離子體繼續加熱 會發生什麼呢 又或者把處於固體形態的物質 持續降溫 它又會變成什麼樣子呢 大家有沒有思考過這些問題 接下來的內容就非常精彩了 當等離子體被進一步加熱後 會轉變爲一種被稱爲格拉斯瑪的狀態 在這個階段 發生碰撞的不再是原子之間 而是單獨的質子或離子相互撞擊 每一次碰撞都會產生相互關聯的電磁場 格拉斯瑪狀態極其不穩定 只會存在極短的時間 因此科學家們很難對其進行研究 我們可以把格拉斯瑪想象成開水 也就是液態水與水蒸汽交界處的那種狀態 水無法長時間維持在熱水這種中間形態 加熱過度就會完全氣化 反之如果冷卻則會回到液態 格拉斯瑪的特性也是如此 如果不及時冷卻 離子和質子就會瓦解 變成膠子 夸克以及反夸克等基本粒子 這與剛纔提到的電離過程類似 原子被分解的情況會再次發生 如此一來 我們就會得到一種名爲夸克膠子等離子體的狀態 這種狀態的溫度高得驚人 能夠達到數兆攝氏度 在地球上的普通環境中根本無法觀測到 夸克膠子等離子體 實際上在整個可觀測宇宙中 絕大多數地方也都見不到它的蹤跡 即便太陽內部的溫度 也還沒有高到能讓物質分解到那種程度 而且太陽內部的壓力極大 即便溫度高達1500萬攝氏度 核心處的物質依然保持着超高密度的狀態 科學家推測 在宇宙大爆炸剛剛發生後的瞬間 整個宇宙曾經充滿了夸克膠子等離子體 而如今這種狀態可能只存在於中子星的核心深處了 我們目前還無法抵達宇宙中那麼遙遠的地方 因此只能依靠實驗室中極少量 在實驗室中製造出的夸克膠子等離子體 只能維持極短的時間 數量也極其微小 必須迅速冷卻到足夠低的溫度纔行 但如果有一天我們真的能夠創造出 穩定的夸克膠子等離子體海洋 那麼它看起來會像是一種近乎不透明的液體 值得一提的是 夸克膠子等離子體與普通的水 液態氮或是熔融金屬不同 它幾乎可以稱得上是理想液體 也就是說它的粘度極低 換而言之 假設你把手伸進夸克膠子等離子體中 並且奇蹟般的在那一瞬間沒有被高溫燒燬 即便你立刻把手抽出來 也不會有任何液體殘留 因爲這種液體會瞬間滑落 不會附着在任何物體上 再次提醒大家 這一切都只是想象中的畫面而已 我們根本不可能真正接觸到 比恆星核心溫度還要高的物質 沒錯 無論你多麼想觸碰它 都是不可能實現的 不過如果你對夸克膠子等離子體 沒那麼感興趣 也可以試着將它稍微冷卻一下 當夸克膠子等離子體冷卻時 會發生一種被稱爲強滋化的化學凍結過程 此時就會出現一種名爲強滋氣體的狀態 並且伴隨着夸克禁閉現象的產生 所謂夸克禁閉 是指在強相互作用力的影響下 夸克無法單獨存在 它們會自動聚集在一起 形成一群叫做強滋的粒子 如果你喜歡這類專業術語的趣味記憶 這些名稱倒是很值得記下來 可惜的是 到目前爲止 強滋氣體還僅僅處於理論模型階段 所以很遺憾 關於這種氣體 短期內我們恐怕還無法分享更多有趣的內容 接近絕對零度 到目前爲止 我們探討的是高溫物質 在極端加熱條件下會發生的變化 接下來我們來嘗試完全相反的方向 比如把原本就已經很冷的物質 例如在極低溫下結晶成固體的氣體 再進一步冷卻 很可惜 這種冷卻實驗比加熱實驗更難控制 理論上溫度可以無限升高 所謂絕對零度 也就是攝氏零下273.15度 而且由於各種原因 我們至今還無法真正達到這個極限 用學校課本里最基礎的解釋來說 想要讓一個系統降溫 就必須將它的能量抽取出來 而系統越冷 需要抽取的能量就越多 因此想要讓溫度降到絕對零度 就必須抽取無限多的能量 但從定義上來說 這是不可能實現的 目前人類所達到的最低溫度 距離絕對零度只差大約一兆分之一度 雖然理論上可以無限逼近那個極限 但實際上就是無法真正達到 不過就實際應用而言 我們目前能夠達到的低溫 已經足以推動低溫物理學繼續發展 當物質被冷卻到 只比絕對零度高一百萬分之一度時 其中的粒子大多會進入最低能量狀態 幾乎完全靜止 就像被凍結了一樣 這時候 原本只有超高精度儀器 才能檢測到的量子效應 竟然會在肉眼可見的尺度下顯現出來 有趣的是 波色愛因斯坦凝聚在某些方面 竟然和它完全相反的 夸克膠子等離子體有些相似 尤其是在這種狀態下的物質 會展現出超流性 表現得就像理想流體一樣 換而言之 這種液體能夠沿着毛細管向上流動 幾乎沒有摩擦 還能瞬間擴散到任何表面 而被冷卻到極限的物質 還有另一種神奇的特性 超導性 超導指的是電流能夠在其中無阻力地流動 這些特殊的物理性質不僅十分有趣 甚至有機會推動像飛天車那樣的科幻技術變成現實 可惜的是 目前這類應用還非常有限 因爲要維持那種極低溫度 需要消耗大量的能量 除了這些之外 其實還有一些這次沒有提到的稀有物質形態 其中大多數只存在於理論模型的設想中 也就是科學家們的數學推演結果 如果你覺得這段影片很有趣 記得幫我們點個贊 感謝你的收看