物质世界千姿百态，铺展出物理美的无数琦绮画面，提供物理理论臻美的无限丰厚源泉。物质形态多样各异。气态、液态、固态是人们日常接触到的物质三态，司空见惯，似不足为奇；其实，这三态显现、内蕴着种种奇妙的物理性状。至于等离子体、玻色-爱因斯坦凝聚态，一般称作物质第四、第五态，往往是物质在极高温、极低温下的特殊形态。当然，人们对物质之种种不同的普通形态和特殊形态的探索和猎奇，尚有无尽天地可予施展。但本文仅着重讨论物质第四、第五态，由以描绘一下物质世界的奇异之美。
从物质三态到物质第四态
物质三态是物质的普通形态。所谓普通，乃指它们均系分子或原子(即单原子分子)的聚集状态。从固态→液态→气态的物态转变(乃一级相变)，是温度升高分子或原子运动加剧、相互间联系减弱所使然。当分子或原子只能围绕各自的平衡位置作微小振动时，表现为固态；当分子或原子的运动加剧，以致没有固定的平衡位置，但尚不至于相互离散时，则表现为有流动性的液态；当分子或原子运动相当剧烈，以致相互离散、不能维持彼此间一定的距离时，便表现为气态。当然，具有流动性的气体和液体往往受容器限制，聚集在特定体积内。物质三态尽管甚有差别，但其分子或原子(抑或原子集团)均为独立存在的完整个体，但各个体的运动不尽相同。
然而，一旦温度达到一定高度，原子电离成正离子和电子。凡含有足够数量(约占千分之一以上比例)的自由带电粒子——正离子和电子——的“原子气体”即为等离子体；此乃物质第四态，有时又称其为磁流体。当然，不同物质的电离能以至电离温度是不同的；在不同条件下的电离程度也各各相异。
在宏观尺度上，等离子体通常呈电中性，因正、负电荷数几乎处处相等；这正是其名称的由来。每个荷电粒子都同时与周围许多粒子有长程的电磁作用，故等离子体的运动会显示这众多粒子的“集体行为"；但电磁作用又有一定的屏蔽范围，其特征距离称作德拜长度。等离子体不甚稳定，易受外界扰动，总是处于非热动平衡状态(譬如说，克服这不稳定性是实现受控热核聚变的一个关键)。它所遵循的一些动力学方程多为较复杂的非线性方程，藉以表示种种准线性和非线性的输运过程(粒子、电荷、热量、能量-动量等的传输)，输运过程体现于不同形式的波的传播。粒子与波之间、波与波之间都有复杂的相互作用。例如，图13-1描绘一波包在非线性作用下发生敛聚(波阵面由平缓变为陡峭、甚至收缩)，而敛聚又为色散所抑制。这敛聚过程起因于非线性平流方程(∂u/∂t)+u(∂u/∂x)=0中的非线性项(第二项)，u代表流速。诸如此类的非线性效应在各种等离子体系统里比比皆是；与麦克斯韦电动力学所描述的线性电磁场运动相比，显得复杂、奇异得多，虽然麦氏电动力学仍然是等离子体物理的主要理论基础。
19世纪30年代，法拉第和J. J. 汤姆孙等人已着手探索气体放电现象；这是等离子体物理研究的发端。19世纪中叶天体物理研究起始、20世纪初叶空间物理研究起步、20世纪中叶受控热核聚变研究起动，人们遂认识到等离子体是宇宙间分布广泛的物质形态；粗略估计，它约占宇宙(可观测)物质总量的百分之九十以上。绝大部分是天然的，如地面的极光、地球周围的电离层，最近恒星——太阳的日冕、日珥、耀斑以及太阳风等皆是；当然，一般恒星亦是；星际星云，某些其他类型星体甚至超新星爆发等等，也都涉及等离子体。一般说，等离子体是高温高密物质形态，但其分布的温度范围宽广，诸如星际气体、地球电离层等的温度较低，密度亦甚低。至于人造的等离子体，主要即指尚在研制中的高温受控聚变反应堆里的热核聚变物质；此外，人们还在扩展低温等离子技术应用。
物质的两大类即为实物粒子和辐射，而宇宙间的电磁辐射主要就来自于占据绝大比例的天然等离子体——星体和星云等。反过来，通过天文观测和人工实验，也正是根：据电磁辐射的机制、组成、频率、强度等性状来确定天然的和人造的：等离子体的组成、温度、密度、电离程度等性质。所以说，等离子体物理从实验到理论两方面的长远研究，一定会展露物质世界的这个主要领域的无限奇异色彩，尽管此领域的研究比普通的物质三态研究困难得多。
物质第五态奇观
谈及物质第五态，就得提及量子统计。全同的微观粒子系统都遵循量子统计规律。粒子有玻色子和费密子之分，前者的自旋量子数为整数(s=0，1，2，…)，后者的自旋量子数为半奇数(s=1/2，3 /2，…)。例如光子和π介子的s分别为1和0，是玻色子；电子、质子、中子的s均为1/2，是费密子。玻色子和费密子分别遵循玻色-爱因斯坦(B-E)统计规律和费密-狄拉克(F-D)统计规律。二者有一个突出的区别：在同一量子态上可有若干玻色子占据；在同一量子态上至多只有一个费密子占据，容不下两个以上的费密子(此即所谓泡利不相容原理)。至于原子核、原子等，由多个核子(质子和中子)、电子组成，亦按其总自旋为整数或半奇数，分别归属于玻色子或费密子之列。就说低温下的重要角色氦，它有两种同位素——42He和32He。42He原子(其核包含2个质子、2个中子)的自旋为0，是玻色子；32He原子(其核包含2个原子、1个中子)的自旋为1/2，是费密子。氦原子的两个电子形成闭壳层，故原子之间相互作用甚弱，以致氦气直至4. 18 K才液化。因此，涉及低温的系统常常离不开对液氦的利用。而液氦本身有许多奇异性质。
爱因斯坦依据B-E统计理论预言：玻色子系统在一临界温度之下，有大量的(宏观数量的)粒子凝聚在单粒子基态。此现象被人们称作玻色-爱因斯坦凝聚，记以BEC(或可称作爱因斯坦-玻色凝聚，记以EBC)。它是玻色子系统所遵循的量子统计规律引起的一种奇特效应；所形成的特殊物质形态即为物质第五态。临界温度(记以Tc)则称为爱因斯坦凝聚温度，可看作玻色子系统从普通形态变成特殊的第五态的转变温度。42He的Tc=2. 17 K。4He的超流态便是最早发现的EBC态。许多金属、合金、化合物在甚低温度下具有超导(电)性，亦是EBC所致。导体内的电子是费密子，但两两结对后就组成玻色子系统，亦会在动量空间里发生凝聚。同样，3He原子在Tc=10-3 K之下也两两结对而组成玻色子系统，于是也显现超流性。
液态4He从正常相(He I)转变为超流相(He II)是二级相变(普通三态之间的转变为一级相变)。发生此相变时热导率增大一百万倍、粘滞系数减小一百万倍，比热曲线在相变点附近呈希腊字母λ的形状(见图13-2)，所以此相变常称作λ相变。正因其热导率极大，故He II不会沸腾；正因其粘滞系数极低，故He II有十分奇妙的超流性状，比如能沿着容器的内(外)壁爬出(进)容器，能无阻碍地通过毛细管，能因温差致压(由温度差引起压强差)而形成喷泉效应(见图13-3)，等等。再者，He II超流沿闭合回路的环流(量)是量子化的，这表明He II中存在量子化的旋涡。这环流的量子化实质上就是大量相干的He原子表现出宏观量子效应(犹如激光显示其整体相干效应一样)，即便凝聚在同一量子态上，呈现为EBC态。
一些金属、合金、化合物从正常相到超导相的转变也是二二级相变，此相变也发生在温度降至(各种材料的)特定临界温度时，电阻会突然消失。那末，在临界温度之下，超导电流回路就不再消耗能量。曾由实验测量确定，超导电流衰减时间不下于10万年之久。因此，超导性研究颇有实用价值。此外，还有一个有用的基本性质——迈斯纳效应，即谓超导体是完全抗磁体。如图13-4所示，一导体置于磁场中，使其冷却而转变为超导相，则就会将原来进入其内的磁力线排斥于外，内部的磁场强度变为零。超导体的近斯纳效应便是磁悬浮列车和其他某些抗磁装置的理论根据。上文已提及超导相也是一种EBC态。与He II超流的环流量子化相仿佛超导电流的环流(量)也是量子化的。当然，各种超导材料的临界温度各不相同，大多甚低，故超导材料往往离不开液氦等提供的低温条件。化合物的临界温度比金属高，近年来已发现高达一百多度K的高温超导材料。从而人们悟及，超导相是一个众多物质材料共有的奇特物相，而且不一定局限于极低温。
宏观特殊物质形态的微观奥秘
等离子体也好，因EBC而形成的超导体和超流体也好，都是宏观尺度上的特殊物质形态，主要表现为大量微观粒子的奇妙的集体行为。前者可凭藉磁流体模型和其他理论模型描述其集体行为，后者的凝聚本身就体现全同玻色子的共同运动方式。诚然，宏观上的奇特行为源自于微观粒子运动的奇异性状。且以超导体和原子气体的纯粹EBC为例稍作说明。
处于正常相的金属导体，其传导电流的载体是自由电子。按照泡利不相容原理，作为费密子的电子从其最低的基态能级起，向一系列较高的激发态能级逐个地占据，直至称为费密能级的最高能级为止，故而自由电子应在费密能级附近。由该能级的能量数值可算得自由电子相应的电子波的德布罗意波长，恰与金属晶格间距同数量级；所以，当电子波传播时会受到晶格振动、晶格缺陷的散射，从而形成为电阻。可是，当金属导体在其临界温度之下转变为超导相后电阻消失，则就表明此时传导电流的载体不再是自由电子。著名的BCS(巴丁-库珀-施里弗)理论为超导电性提供了恰当的微观机制解释。该理论假设，电子与晶格之间的电作用导致晶格形变，形变了的晶格影响电子的行为；于是，由于晶格形变以及晶格与电子的库仑引力作用，自由电子不再自由，而会两两关联、结成电子对(称为库珀对)。库珀对的自旋为零，一般就被看作玻色子。大量库珀对的质心动量都几乎为零，即在动量空间里有宏观数量的库珀对凝聚到零动量点的小邻域内；这种凝聚一般也就被看作EBC，只是库珀对的尺度甚大，有微米(μm)量级，因此与微观尺寸的玻色子不完全相同。微米量级大小的库珀对作为传导电流的载体，不会被微观尺寸的晶格结构散射，致使电阻降为零。
氦超流体和超导体内部的相互作用复杂，其中EBC效应不十分单纯、清晰。而对于稀薄的原子气体，因其原子间距离超过范德瓦尔斯力的作用程，则彼此间并无相互作用；于是，在极低温度下，若使原子适当靠近，便可实现其单纯、清晰的EBC。按照B-E统计规律，可计算在温度Tc以下，聚集在基态的原子数与原子总数同数量级；假如温度达到0 K，则全部原子都处于基态。图13-5表示铷(Rb)原子实现EBC时的速度分布情况：绝大部分原子的速度以至动量均为零。具体说来，当温度降到Tc，原子动量甚小，对应之德布罗意波长甚大(有微米量级)，大于原子间的距离，各原子的德布罗意波便会颇多交迭；与此相应，原子的“相密度”甚大[尽管原子在其实际所处空间里算不上高度密集(每立方厘米内约有1012个原子)]，从而达到EBC态，即在动星空间里凝聚起来。其实，这大量原子都处于相干状态，都处于最低能级，可用一个单粒子波函数描述其共同的基态运动；因此，EBC态是大量全同波色子在单粒子基态发生量子干涉(系相位相干)，即玻色子系统的这种奇异量子特性所导致的一种宏观特殊物质形态——宏观量子相干态。这在费密子系统里是不可能出现的，除非它们两两结对。
至于EBC的实验研究，是利用激光冷却、囚禁原子的新颖技术，采用磁-光陷阱设置，并结合以其他先进冷却技术，致使原子气体的温度一直降到10-7 K(甚至更低)；于是，先后实现了铷(8737Rb)、锂(73Li)、钠(2311Na)等碱金属原子的EBC，甚至能从磁阱里抽取“原子激光"(即相千原子束)。普遍认为，这项进展是近年来最重大的科技成果之一；人们终于获得了纯粹的物质第五态，并开始清楚地揭示其非比寻常的微观奥妙。
无穷物质 奇异无穷
实现铷原子的EBC是在1995年。近年来，还实现了作为密费子的钾(4019K)、锂(63Li)原子的EBC。当然，在凝聚之前，这些原子先两两结对，成为玻色子，犹如库珀对一样。这样的所谓“费密凝聚”实际上还是EBC，所以仍应属于物质第五态范畴(而非“第六态")，但因为是彼此间并无范德瓦尔斯力作用和库仑力作用的中性原子相互结对，必然涉及微观粒子间的另样作用机制，故学术界颇为看重这项与玻色子系统的EBC有所区别的新近发现。
费密原子的EBC凝聚得以实现，扩大了形成物质第五态的可能途径。物质第五态是一个神奇的物质范畴，科学家在此定会大有作为。而目前等离子体研究也依然红火，新成果也相继迭出。近期有报道：使用重离子对撞机造出一种“夸克-胶子流体”，其性状与原子核(或正离子)-电子等离子流体十分相似；报道者并认为这种“完美的新流体可能正是宇宙极早期的主要物质形态。这样，似乎就把物质第四态扩充到亚核粒子层次。自由夸克至今未能露面，超高能的夸克-胶子“等离子体”可否存留？虽然现在尚未定论，但有一点可予肯定物质第四、第五态是在极端条件下形成的，它们有许多奇特性状、甚至有新奇变体；这些特殊物质的奇异形态强烈地吸引着科学家的求知兴趣。
物质世界无穷无尽，大多并非在通常条件下即会具备其特殊面貌的。除了极高温条件下(一般而言)的物质第四态以及极低温条件下的物质第五态之外，超高压条件也会改变物质性状，甚或导致一些奇异的物质形态。替如说，甚高压力会使氢气变成金属氢；在超高压下，原子核会“吞没”核外电子，成为简并中子流体。晚期恒星在自身强引力作用下坍缩、演化成中子星，则便是主要由简并中子流体构成的致密天体，密度达到1014克/厘米3以上。简并中子流体的性状亦异乎寻常，尚待进一步考究。此外，正反粒子相生相灭，反物质世界颇令人神往。高能和超高能条件下时有新的粒子及其新的夸克构成子(包括它们的反粒子、反夸克)出现，从而使物质-反物质世界不断延拓其被认知的畴域。在延拓过程中人们感受到物质深层次的奇幻。另外，人们往往凭藉电磁辐射来了解、确定物质体的结构和运动方式；倘若接收不到电磁辐射，则当然是难于直接观测的，比如黑洞即是典型一例。尽管可通过黑洞所产生的引力作用猜测其某些性状，但毕竟很难确定此“隐遁者”的内部结构和具体运动状况。再者，占全宇宙物质总量的百分之九十五以上的暗物质、暗能量究为何物，也是一个很棘手的问题，科学家将花费未来一段相当长的时间去认真考察之。
看来，不管是普通的物质三态，还是物质第四、第五态以及其他极端条件下的特殊物质形态；不管是正粒子、正物质，还是反粒子、反物质；不管是可观测物质，还是目前尚不可直接观测的物质；不管是宏观物质层面，还是宇宙极早期的起始物质形态，抑或微观层：面的各结构层次等等，都有无数未知奥秘等待人们去不断揭示。对于科学探索者来说，新揭示的奥秘必定异常、奇特、美妙。这奇异之美宽广而深邃，对它的赏悦和追求，恰是促使科学家向物质世界更广袤疆域挺进的基本动力之一。神秘感可谓是美感的先着，猎奇算得上臻美意念的一个重要方面，故而披露；无穷世界的无穷奇异之美，亦就是科学探索永无止境的肯綮所在。
