《科学》物质有500种相态

忘掉我们所熟知的固态、液态、气态的“物质三态”概念吧。事实上，物质拥有超过500种的相态。加拿大佩里米特理论物理研究所的研究员文小刚，在美国《科学》杂志上发表了一篇重要论文，为我们揭示了物质分类的新视角和新方法。

凝聚态物理学，作为物理学的一个分支，致力于探索和描述物质的各种相态。传统的相态分类方法，主要依据物质基本组成单元（通常是原子）的组合方式，而这种组合方式的关键在于所谓的“对称性”。

想象一下你乘坐一艘微观飞船，在液态的海洋中穿行。原子在你周围以随机的方式游动，它们在各个方向的运动态势都是相同的，这就是“对称性”的科学解释。液体展示出了高度的对称性，而另一种水相态——冰晶，则呈现出不同的对称性。在冰的世界里，你会看到整齐排列的晶状结构，就像摩天大楼的未完工的梁架结构，每个角度都展现出不同的景象。物理学家认为液态水的那种高度对称性在冰晶中被打破了。

基于对称性的状态以及对称性被打破的位置和方式，对物质的相态进行分类的方法被称为“朗道范式”。物理学家们对前苏联科学家朗道的这一理论非常满意，以至于在很长一段时间内，他们都相信所有的物质相态都可以通过对称性来分辨。当他们发现一些无法被朗道理论解释的相态时，他们感到了震惊。

从上世纪80年代开始，包括文小刚在内的凝聚态物理学家开始研究新的量子系统。在新的理论框架下，分辨相态的依据不再是对称性状况，而是量子的一种明确属性——纠缠性。当两个粒子处于纠缠状态时，无论相距多远，对其中一个粒子的操作都会影响到另一个。在这一理论框架下，我们关注的不再是物质的结构和形态，而是这些形态间无形的联系。

文小刚等人研究出的这种描述物质的方式更具概括性，用途广泛。仍有一部分相态不符合这一理论框架，那就是所谓的保有对称性的拓扑态。文小刚及其研究伙伴揭示了一种新的理论体系，能够最终对此类保有对称性的相态进行分类。

借助现代数学理论的帮助，他们得以在任何维度、任何对称性的基础上对保有对称性的相态进行构建和分类。这种新的分类体系有助于我们深入了解物质的量子态，并将我们设计物质的相态的能力应用于超导体、量子计算机等领域。这一研究不仅让我们对物质的本质有了更深的理解，还将为未来的科技发展开辟新的道路。