潮州护角胶厂 它同时是固体又是液体: 科学找到了困扰物理学60年的奇异物质

想象这样个场景潮州护角胶厂。

你把块冰放在桌上。它是固体——原子整齐排列，形状固定，不会流动。

现在想象另种情况：这块"冰"，在保持原子整齐排列的同时，整体却像水样毫阻力地流动。

这不是科幻。这是物理学寻找了半个多世纪的东西，叫做固体。而就在近，科学次在实验室里，像让水结冰再融化样，让种物质在流体和固体之间完成了可逆切换。

要理解固体，需要先理解种基础的奇异物态：流体。

1940年代，科学发现，当液氦被冷却到接近对度时，会发生件其反常识的事：它变成了种永远不会停止流动的液体。

普通液体有粘度，就像蜂蜜比水难流动——分子之间的相互作用会消耗动能，让液体终停下来。但流体的粘度为。没有摩擦。旦形成旋涡，它可以永远旋转下去，几十年也不会减速。

诡异的是，流体还会"爬墙"。把它放进个容器，它会沿着容器壁自动向上爬，翻越容器边缘，流出去。这不是魔术，而是量子力学在宏观尺度上的直接体现——大量粒子共享同个量子态，行动致，像个整体而不是堆立的原子。

把普通液体想象成堵车的速公路，每辆车都在互相干扰，随时减速。流体则像条没有任何红绿灯和障碍的道路潮州护角胶厂，所有粒子整齐划，谁也不妨碍谁。

固体和液体，为什么不能同时存在？

流体已经够奇怪了。固体，则进步。

在我们的日常经验里，固体和液体是两种对立的状态。固体的特点，是原子被固定在规则的晶格里，不能随意移动，所以有固定的形状。液体的特点，是原子可以自由运动，所以能够流动。

两者的核心矛盾在于：要有晶格结构，原子就须被固定；要能流动，原子就须自由。这两个条件，在经典物理里是相互排斥的。

但量子力学不受这个约束。

在量子世界里，固体的设想是这样的：物质同时拥有固体的周期晶格结构，又拥有流体的粘度流动。原子在空间上排列整齐，但整个系统却能像流体样摩擦地运动。

用个类比来理解：想象个整齐站队的阵，所有士兵保持阵型不变，但整个阵却能像幽灵样穿过任何障碍，没有摩擦。

1969年，诺贝尔物理学得主安东尼·莱格特从理论上论证了固体存在的可能。从那刻起潮州护角胶厂，物理学开始了长达五十多年的寻找。

寻找固体的历程，充满了希望和挫折。

直接的候选体，是固态氦。氦在足够低的温度和足够的压力下会变成固体，而理论预测它可能表现出固体特。几十年来，实验室里进行了数次测试，结果始终模糊而充满争议。

2004年，事情出现了戏剧转折。两位科学宣布在固态氦中观测到了固体的证据，瞬间引发全球物理学界的轰动。但几年后，立验证实验表明，那些现象可能来自固态氦中的缺陷，而不是真正的固体。

后来，科学转向冷原子系统。用激光构造周期的势阱，让原子云同时展现出晶格结构和流特。这在实验上确实成功了，但很多物理学认为这不"真正的"固体——因为晶格结构是由外部激光强加的，不是物质自发形成的。

问题直悬而未决，直到个意想不到的材料出现了。

解开谜题的，是石墨烯——种厚度只有单个原子的二维碳材料，于2004年被发现，万能胶生产厂家并为发现者带来了2010年的诺贝尔物理学。

新实验的设置是这样的：把两层石墨烯叠放在起，施加强磁场，冷却到低温度。在这种条件下，两层之间发生了件奇妙的事：层中的电子，和另层中的"空穴"（可以理解为缺少个电子的位置，在量子力学中被当作种正粒子处理），相互吸引结，形成种特殊的准粒子，叫做激子。

大量激子在低温下凝聚，形成了激子流体——这还在预期之内。

但接下来发生的潮州护角胶厂，出了预期。

研究团队发现，通过调节磁场强度，这些激子会自发地开始在空间中形成周期的排列，就像原子在固体中排成晶格样。流体，自发地"冻结"成了固体。

关键的是：这个过程是可逆的。调回磁场，晶格结构消失，固体重新变回流体。就像水结冰，冰融化成水，可以来回切换。

这是人类历史上次，在没有外部"强加"晶格结构的情况下，观察到物质自发地在流体和固体之间完成可逆转换。

这正是物理学期待了六十年的东西。

也许你会问：这和我的生活有什么关系？

直接的应用目前还不明显。但这个发现的意义，在于它开了扇通向层物理的门。

固体研究，和很多物理学重要的前沿问题直接相连。温体至今没有被理解，而和流在物理机制上有刻的联系，理解固体可能为破解温之谜提供新线索。玻-因斯坦凝聚是流和固体背后的量子机制之，对它的入研究有助于理解量子多体系统的普遍规律。量子相变，也就是物质在不同量子态之间的转换，是凝聚态物理核心的研究域之，而这次实验提供了个罕见的、可以精确控制的量子相变案例。

大胆的测，来自天体物理。中子星内部的物质处于端的密度和温度下，理论预测那里可能存在某种类似流甚至固体的状态。理解实验室里的固体，可能帮助我们断宇宙中致密天体的内部结构。

宇宙，会不会本身就是种流体？

说到这里，可以提个大胆、具哲学意味的想法——尽管它目前还处于理论假说阶段。

有类叫做"流真空理论"的思想，认为我们所处的空间本身，可能拥有类似流体的质。在这个框架下，粒子不是在"空旷"的空间里运动，而是在种具有量子相干的介质中运动，就像声子在液氦中传播。引力、时间、质量，都可能是这种宇宙"流"中的涌现现象。

这个想法还远未成为主流，但它有定数量的严肃物理学在探索，包括诺贝尔得主盖尔卡·福洛维克。它和某些量子引力理论、暗物质流模型，都存在有趣的交汇点。

也许有天，我们会发现，2025年这个让流体"冻结"成固体的实验，是理解宇宙层结构的起点之。

回到开始的那块冰和那滩水。

个氦原子，没有任何奇之处。它就是个普通的原子，遵守普通的量子力学规则。但当数十亿亿个氦原子被冷却到接近对度，在某个临界点上，它们突然开始以种协同的式行动，产生出任何单个原子都法展现的集体行为——流、固体、量子涡旋。

这不只是氦原子的故事。、激光、玻-因斯坦凝聚、拓扑缘体……凝聚态物理令人震撼的发现，几乎例外，都来自大量粒子的集体行为，而不是单个粒子的质。

也许，自然界刻的秘密，从来不在单个粒子里。而在于：当数简单的个体结在起时，会诞生怎样全新的规律，产生怎样越任何个体的能力。

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