物质有多少种状态？你小时候可能知道我们最常见的三种状态：固体、液体和气体。所有这些都在地球表面有规律地出现：岩石和冰是固体，水和许多油是液体，而我们呼吸的大气是气体。然而，这三种常见的物质状态都是基于中性原子；宇宙不受这些限制。
如果你用足够的能量轰击任何原子，你就会把电子踢出去，形成电离等离子体：物质的第四种状态。当能量足够高时，甚至质子和中子也会分裂，形成夸克胶子等离子体：可以说是物质的第五种状态。
是否还存在其他额外的物质状态？
当然可以，但与微软的 Satya Nadella 最近宣称的不一样，“拓扑导体”或拓扑超导体并不是他们自己的新物质状态。相反，人们认为只有两种额外的物质状态存在：玻色-爱因斯坦凝聚态和费米子凝聚态，即物质的第六态和第七态。目前，它们只能在极端的实验室条件下实现，从而导致从深奥到潜在深远的各种应用。它们甚至可能在整个宇宙中发挥重要作用。原因如下。
在地球上，几乎所有东西都是由原子及其成分组成的。一些原子结合在一起形成分子，一些原子获得或失去电子成为离子，其他原子则以独立实体的形式存在。无论任何特定化学或离子化合物（水、氧气、甲烷、氦气等）中的原子数量如何，温度和压力条件的组合决定了该物质是以固态、液态还是气态存在。
水，最著名的是：
- 在低温和中等压力下结冰，
- 在高压和/或高温下变成液体，
- 在更高温度或非常低的压力下变成气体。
然而，在高于 374 °C (705 °F) 的临界温度下，这种区别会消失。在低压下，你仍然会得到气体；在高压下，你会得到一种兼具气体和液体特性的超临界流体。在更高的温度下，你会开始电离分子，形成等离子体：物质的第四种状态。
虽然大多数关于物质状态的讨论到此结束，但这并不是科学故事的结束。事实上，这只是故事中原子部分的结束。至于其余部分，我们需要探索亚原子世界：比原子更小的粒子世界。我们已经见过其中一种：电子，它是标准模型的基本粒子之一。
电子是原子中带负电的粒子，它们围绕原子核旋转，这些粒子在高能下被激发形成电离等离子体。而原子核则由质子和中子组成，而质子和中子又由三个夸克组成。在质子和中子内部，胶子以及夸克-反夸克对不断在这些复合粒子中产生、毁灭、发射和吸收。每个质子和中子内部都是一个混乱的亚原子世界。
如果将温度和能量提高到足够高的值，甚至质子和中子本身也会分解成夸克、胶子以及任何夸克-反夸克对，这些对都是你从可用能量和爱因斯坦的质能等价定律E = mc²中创造出来的。而在我们的传统经验中，夸克总是一次三个地结合在一起形成通常称为重子的束缚态，而在足够高的能量下，它们会变成夸克-胶子等离子体：物质的第五态。
在大爆炸开始后宇宙的大约第一微秒内，没有质子和中子，只有夸克胶子等离子体，与当时存在的所有其他形式的物质、反物质和辐射紧密耦合。我们目前在世界上最强大的粒子对撞机中通过重离子（原子的裸原子核，包含大量质子和中子，如金、铅和元素周期表最末端的其他原子）对撞这些夸克胶子等离子体进行实验研究。
布鲁克海文的 RHIC（相对论重离子对撞机）和欧洲核子研究中心的 LHC（大型强子对撞机）不仅帮助我们探索这些粒子的亚原子世界，还帮助我们探索它们作为一个集合体的行为方式：一个成熟的夸克胶子等离子体。
但即使这些物质状态需要大量粒子，它们也需要非常高的能量才能实现。如果我们不采用高能量，而是采用另一个低能量方向的特殊条件，我们会发现这些粒子可以实现另一件了不起的事情：创造第六种和第七种物质状态。要做到这一点，我们需要一个关键的认识：宇宙中的每个粒子，无论是基本粒子还是复合粒子，都属于两类之一。
- 费米子。当我们测量这种粒子的自旋（或固有角动量）时，我们总是得到以普朗克常数的半整数值量化的值：±1/2、±3/2、±5/2 等。
- 玻色子。这种粒子的自旋测量结果总是以普朗克常数的整数值进行量化：0、±1、±2 等。
就是这样。在整个已知的宇宙中，没有任何粒子（无论是基本粒子还是复合粒子）属于任何其他类别。我们测量过的所有物质要么表现为费米子，要么表现为玻色子；没有任何粒子表现出任何其他统计特性。
电子是自旋为 ±½ 的基本粒子，显然是费米子。质子和中子各由三个夸克组成，它们的自旋也只能是 ±½，因为一个夸克的自旋总是与另外两个夸克的自旋相反。然而，如果你把一个质子和一个中子结合在一起，就会产生一种复合粒子，称为氘核：一种重氢同位素氘的原子核。
氘是一种与另一个费米子结合在一起的费米子，它总是表现为玻色子。（为什么？因为如果将两个费米子相加，±½ + ±½，它们的相加值只能等于 -1、0 或 +1：玻色子的自旋值。）无论我们处理的是基本粒子还是复合粒子，费米子和玻色子都表现出彼此之间的关键差异。是的，它们的自旋不同，但这种差异导致了一个惊人的结果：费米子遵循泡利不相容原理；而玻色子则不遵循。
泡利不相容原理是量子力学早期发现的重要基石之一。它指出，没有两个费米子可以占据完全相同的量子态。
当我们开始将电子放到完全电离的原子核上时，这种情况就会发生。第一个电子将下沉到最低能量状态：基态。如果添加第二个电子，它也会尝试回到基态，但会发现它已经被占据了。为了最小化其配置的能量，它会下降到相同的状态，但需要反转其自旋：如果第一个电子是 -½，则 +½；如果第一个电子是 +½，则 -½。任何进一步的电子都需要进入越来越高的能量状态；在同一物理系统中，没有两个电子可以具有完全相同的量子配置。
但对于玻色子来说情况并非如此。你可以随意将任意数量的玻色子置于基态配置中，没有任何限制。如果你创造了正确的物理条件——例如冷却玻色子系统并将它们限制在同一物理位置——那么你可以将无限数量的玻色子放入最低能量状态。当你达到这种配置时，许多玻色子都处于相同的最低能量量子态，你就实现了物质的第六态：玻色-爱因斯坦凝聚态。
氦原子由两个质子、两个中子和两个电子组成，是一种由偶数个费米子组成的稳定原子，因此表现得像玻色子。在足够低的温度下，它会变成超流体：一种粘度为零且自身或与其相互作用的任何容器之间没有摩擦的流体。这些特性是玻色-爱因斯坦凝聚的结果。虽然氦是第一个达到第六种物质状态的玻色子，但此后它已被复制为气体、分子、准粒子甚至光子。它至今仍是一个活跃的研究领域。
另一方面，费米子不可能全部处于相同的量子态。由于泡利不相容原理，白矮星和中子星不会坍缩；由于泡利不相容原理提供的量子压力，相邻原子（白矮星中）中的电子或彼此相邻的中子（中子星中）不能在自身引力下完全坍缩。负责原子结构的相同原理使这些致密的物质结构不会坍缩成黑洞；两个费米子不能占据相同的量子态。
那么，如何才能实现物质的第七态：费米子凝聚态呢？信不信由你，费米子凝聚态的历史可以追溯到 20 世纪 50 年代，当时诺贝尔物理学奖得主利昂·库珀做出了一项惊人的发现。你要记住的术语是以他的名字命名的：库珀对。
在低温下，每个粒子都趋向于其能量最低的基态配置。如果你拿一块导电金属，并将温度降低到足够低，两个自旋相反的电子就会配对在一起；这种微小的吸引力会导致电子配对成一种能量较低、更稳定的配置，而不是让所有电子单独移动。
费米子凝聚态所需的温度比玻色-爱因斯坦凝聚态要低，但它们也能表现为超流体。1971 年，氦-3（比标准氦少一个中子）被证明在低于 2.5 毫开尔文的温度下会变成超流体，这是首次证实只涉及费米子的超流体。2003 年，物理学家Deborah Jin 的实验室创造了第一个基于原子的费米子凝聚态，利用强磁场和超低温将原子诱导到这种令人向往的状态。
您可能听说过其他奇特的物质状态：量子自旋冰，或微软的新量子计算机芯片 Majorana 1，它将拓扑导体称为一种新物质状态。事实上，这些并不是新的物质状态，而是仅利用这些已知物质状态组合的新物质系统。是的，它们具有有趣的特性，有时具有深远的应用，但它们只是这些已知物质状态的变体：固态和凝聚态物理更大研究领域的一部分。
因此，我们所拥有的物质标准状态不仅仅有固体、液体和气体这三种，还有：
- 电离等离子体的高能状态，出现在原子和分子中电子太少而无法保持电中性的场合，
- 然后是能量更高的夸克胶子等离子体，其中质子和中子也分解成它们的基本亚原子成分，
- 玻色子的超低温状态，即玻色-爱因斯坦凝聚态，其中所有玻色子都属于同一量子态，
- 以及费米子的超低温状态，即费米子凝聚态，其中费米子通过配对并表现为玻色子，结合在一起，落入相同的量子态。
电离等离子体、夸克胶子等离子体、玻色-爱因斯坦凝聚态和费米子凝聚态分别代表物质的第四、第五、第六和第七状态。
尽管有相反的说法，但并没有其他方法。此外，为了从物质中创建费米子凝聚体，你必须实现特殊条件：温度低于 50 纳开尔文，并施加随时间变化的磁场。然而，在广阔的太空深渊中，中微子（由费米子组成）或暗物质（可能是费米子或玻色子）极有可能聚集在一起（或者，就费米子而言，先配对然后聚集）形成自己的凝聚体。真正理解宇宙最大谜团之一——暗物质之谜——的关键可能在于所有已知物质状态中最稀有和最极端的状态。