我們常見的物質(zhì)狀態(tài)有三種：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，它們是相同元素或分子根據(jù)其化學(xué)鍵的強(qiáng)度占據(jù)的不同狀態(tài)。固體中的強(qiáng)鍵使材料保持剛性，但加熱后這些鍵會斷裂并留下較弱的鍵，使粒子之間可以彼此流動，這就是液體。進(jìn)一步加熱它，弱鍵斷裂，粒子在空間自由飛行。瞧，這是一種氣體。

你們中的一些人可能還知道，如果我們繼續(xù)升溫，電子從原子中分離出來，在此過程中破壞所有分子鍵并產(chǎn)生等離子體。于是，我們似乎得出結(jié)論，物質(zhì)狀態(tài)只是原子可以處于的不同狀態(tài)。但是等等，質(zhì)子和中子內(nèi)部的夸克是“物質(zhì)”，那它們是什么狀態(tài)？它是否取決于它們所屬的原子的物質(zhì)狀態(tài)？

相圖

要回答這些問題，我們最好弄清楚物質(zhì)的狀態(tài)是什么。如果要根據(jù)在學(xué)校學(xué)到的物質(zhì)狀態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子）來進(jìn)行推理，那么一個簡單的模式是顯而易見的。溫度的變化會導(dǎo)致狀態(tài)或相的變化，相變發(fā)生在材料特定的溫度和壓力下。考慮物質(zhì)相與溫度和壓力的二維關(guān)系，并把它制成圖，我們稱之為相圖。

相圖向我們表明，物態(tài)遠(yuǎn)比固體、液體、氣體要復(fù)雜得多。一方面，物質(zhì)存在秘密的隱藏狀態(tài)。例如，在高于臨界點(diǎn)的溫度和壓力下，氣體和液體之間的界限變得模糊，我們擁有一種具有兩者特性的超臨界流體。

夸克-膠子

如果我們繼續(xù)提高等離子體的溫度會發(fā)生什么？等離子體仍然由復(fù)合粒子組成：電子和原子核。就像我們在制造等離子體時撕裂原子一樣，如果我們將溫度提高到足夠高，我們就可以撕裂核子。我們將需要大約7萬億開爾文的高溫，這就是所謂的哈格多恩溫度，因?yàn)楹俗拥慕Y(jié)合能極高。

當(dāng)我們達(dá)到該溫度時，夸克從核子中剝離出來，產(chǎn)生夸克-膠子等離子體，這是我們能得到的下一個狀態(tài)。膠子和夸克之間的相互作用仍然很重要，因此夸克-膠子等離子體的行為更像是一種液體。我們經(jīng)常在粒子加速器中制造這種東西，但數(shù)量非常少。然而，在非常早期的宇宙中，一切都是夸克-膠子等離子體，在大質(zhì)量中子星的核心中也可能如此。

如果夸克膠子等離子體是液體狀的，這是否意味著它可以凍結(jié)？是的，而且它的冷凍形式是一個核子，更一般地說是強(qiáng)子：質(zhì)子、中子還有各種夸克組合。強(qiáng)子實(shí)際上是夸克-膠子等離子體的“晶體”，它是“固體”形式的物質(zhì)。

夸克相圖

對于量子色動力學(xué)來說，夸克物質(zhì)又被QCD物質(zhì)，它是夸克和膠子相互作用的物理學(xué)。夸克物質(zhì)有它自己的物質(zhì)狀態(tài)，讓我們看看它的相圖。請注意，它的相圖和上述所提到的相圖有所不同，壓力被重子化學(xué)勢所取代，它表明夸克可以吸收或發(fā)射多少能量。

在相圖的上方，夸克-膠子等離子體實(shí)際上是原子物質(zhì)中氣體的類比，即使它的行為更具流動性。在相圖的左下角，強(qiáng)子是所謂的“固體”。如果在這張圖上向右移動，我們就鉆入中子星。首先，各個夸克“晶體”融合在一起，形成一種所謂的中子流體，然后中子溶解，我們最終得到了非常奇怪的液態(tài)夸克物質(zhì)形式。

其他

我們最熟悉的物質(zhì)狀態(tài)可以解釋為粒子在經(jīng)典力下的相互作用。但是一旦你把量子力學(xué)帶入，許多奇怪的物質(zhì)狀態(tài)就成為可能。例如，在玻色-愛因斯坦凝聚體等簡并物質(zhì)中，所有量子態(tài)都被占據(jù)，從而導(dǎo)致一些令人驚訝且有用的涌現(xiàn)特性，如超導(dǎo)性和超流性。

時間晶體是最新的，也許是最奇怪的物質(zhì)量子態(tài)。這些是糾纏粒子的配置，即使它們沒有能量，它們也會在狀態(tài)之間振蕩。在常規(guī)熱力學(xué)中，最低能量對應(yīng)于絕對零溫度，這反過來意味著粒子的零運(yùn)動。時間晶體的最低能量狀態(tài)涉及實(shí)際運(yùn)動，這使得它們在熱力學(xué)上與其他物質(zhì)狀態(tài)不同，因此它們有資格作為自己的物質(zhì)狀態(tài)。