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超固体中的Glitches,是如何揭示中子星的物理性质的

科学探索万象经验2023-12-17

大家可能都知道,物质有三种常见的状态:固体、液体和气体。固体的特点是有固定的形状和体积,液体的特点是有固定的体积但没有固定的形状,气体的特点是没有固定的形状和体积。这些状态之间可以通过温度和压力的变化进行转换,比如冰可以融化成水,水可以蒸发成水蒸气。

但是,物质的状态并不止这三种。在极低的温度下,一些物质会出现一种奇特的状态,叫做超流体。超流体的特点是没有粘滞阻力,可以无摩擦地流动,而且可以沿着容器的壁面爬升。超流体的一个典型的例子是液氦,在2.17 K以下,液氦就会变成超流体。超流体的存在是由量子力学的效应造成的,因为在极低的温度下,物质的波动性会占据主导地位,导致物质的原子或分子形成一个巨大的量子态,叫做玻色-爱因斯坦凝聚态。

那么,超固体是什么呢?超固体是一种同时具有超流性和固体性的物质状态。这意味着,超固体既有固定的形状和体积,又可以无粘滞地流动。超固体的存在是一种理论的预言,但是在实验上很难观察到。直到最近几年,一些实验室才成功地制造出了超固体的候选体系,比如极冷的偶极分子气体和光晶格中的原子气体。这些体系的共同特点是,它们的原子或分子之间有着强烈的吸引力和排斥力,导致它们形成了一种类似于晶体的周期性结构,叫做自组织的光晶格。这种光晶格可以在空间上移动,而且可以在旋转时形成涡旋,表现出超流性。

Glitches是一种天文学上观察到的现象,指的是中子星的自转速度突然增加的事件。中子星是一种极端的天体,它们是由恒星在坍缩后形成的,质量很大,半径很小,密度很高,磁场很强。中子星的内部结构非常复杂,可以分为几个层次,从外到内依次是:固体的铁质外壳,液态的核物质,超流的中子,超导的质子,以及可能存在的夸克物质。中子星的自转速度通常很快,可以达到每秒几百次,而且会随着时间缓慢减慢,这是由于中子星向外辐射电磁波和引力波,损失了角动量的结果。但是,有时候,中子星的自转速度会突然增加一小段,这就是Glitches。