Выдающиеся состояния вещества⁠⁠

Твердое, жидкое и газообразное: Вы прекрасно знаете об этих состояниях, потому подробно останавливаться тут смысла нет. Нам бы что нибудь более экзотическое, например:

Самая большая часть барионного вещества вселенной

Плазма

Да-да, из плазмы состоят не только звезды, но и вещество между ними, поскольку плазма - это чаще всего ионизированный газ. Но в более широком смысле плазма может состоять из любых заряженных частиц (например, можно лазером выстрелить в каплю жидкого олова, передав огромное количество энергии и превратив каплю в облако плазмы. Это не фантазия, так делается для экстремальной ультрафиолетовой литографии и получения излучения с длинной в 13.5 нанометров ).

Поскольку заряженные частицы в плазме обладают подвижностью, то и она сама обладает способностью проводить электрический ток, чем мы с радостью пользуемся (люминесцентные и неоновые лампы, дуговая сварка, плазменные панели мониторов и телевизоров).

Кстати плазму вы можете получить легко дома, огонь спички или зажигалки - уже плазма, правда низкотемпературная, да и степень ионизированности ее будет крайне низка.

Но это мелочи, гораздо интереснее будет продолжать нагревать плазму.

_______________________

Самое высокотемпературное вещество, полученное экспериментально

Кварк-глюо́нная пла́зма

Вся проблема в температуре, для получения этого вида вещества нужно его умудрится нагреть до триллионов градусов, человечество к такому пришло только с постройкой мощных ускорителей частиц. И то, время существования такой экзотической формы материи исчисляется йоктосекундами (10^-24 с).

При таких неосознаваемо огромных температурах обычное адронное вещество существовать физически не может и разрушается в суп из кварков, антикварков и глюонов.

Согласно теории Большого Бум вся материя вселенной когда то была в виде такой плазмы, а потом расширялась, остывала и превращалась в обычный газ.

Возможно, для вас будет нелогично, но ученые кварк-глюонную плазму считают жидкостью, а не газом. Причем жидкостью почти идеальной (без вязкости) и непрозрачной. И даже не спрашивайте меня как они до этого дошли.

Поскольку с высокой температурой мы немножко разобрались, то что будет, если вместо температуры повышать давление?

_______________________

Самое плотное вещество.

Нейтронное состояние

В нейтронное состояние вещество переходит при сверхвысоком давлении, недоступном пока в лаборатории, но которое существует внутри нейтронных звезд. При переходе в нейтронное состояние, электроны вещества объединяются с протонами и превращаются в нейтроны. Для этого необходимо, чтобы силы гравитации сжали вещество настолько, чтобы преодолеть отталкивание электронов.

В результате в нейтронном состоянии вещество полностью состоит из нейтронов и имеет плотность порядка ядерной. Температура вещества при этом не должна быть очень высокой. Дальнейшему гравитационному сжатию нейтронной звезды препятствует давление ядерного вещества, возникающее за счёт взаимодействия нейтронов.

Интересно, что подобное состояние вещества сначала было рассчитано теоретически и только потом открыто “на практике”.

Кстати, согласно тем же расчетам, есть еще более странное вещество - кварковая материя, которая должна получаться при еще большем давлении на нейтронное состояние вещества. По названию понятно, что происходит низкотемпературное разрушение вещества на кварки, но практического подтверждения этому пока не найдено.

_______________________

Самое неопределившееся состояние

Аморфное вещество

Всем известно стекло и его характерный пример как аморфного вещества, еще вы, наверное, помните картинку стекла из старых замков, где оно внизу утолщается, вроде как подтекло вниз за столетия. На самом деле, разница в толщине объясняется технологическими процессами использовавшимися в средневековье. Вязкость обычного стекла при комнатной температуре имеет порядок ~10^18 Пуаз. Эксперименты показали, что за 6 лет оконное стекло деформируется только на 1 нанометр. Для изменения толщины стекла на 10% понадобилось бы более миллиона лет. Так что еще один школьный миф минус.

А что вы скажете, если я сообщу, что очень многие тела можно превратить в аморфные.

Для этого надо вещество, находящееся в жидкой фазе переохладить. То есть не меняя фазу (жидкость) преодолеть точку замерзания (кристаллизации) и опустится по температурной шкале пониже. Все дело в том, что при охлаждении вязкость жидкости увеличивается, то есть нам надо найти границу, при которой вязкость жидкости не даст атомам построить связанную и упорядоченную кристаллическую решетку.

Спросите зачем нам аморфные металлы или полупроводники? А они могут проявлять ранее несвойственные им свойства, которые обязательно найдут и новое применение.

Теперь вы чуть лучше понимаете связь вязкости, температуры и состояния вещества. Двигаемся дальше, туда где похолоднее.

_______________________

Самое текучее?

Фаза сверхтекучести

Согласно классическим представлениям физики, при понижении температуры все атомы должны прекращать колебания и превращаться в очень прочные кристаллические структуры.

Вот только реальность опровергает наши представления. Многие вещества с малой атомной массой не создают кристаллы, поскольку им мешают квантовые эффекты, заставляющие атомы продолжать колебаться даже в самом низком их энергетическом состоянии, и именно это не позволяет им образовать кристалл.

Ладно, как получаются жидкости около нуля Кельвинов мы разобрались. Но почему появляется сверхтекучесть?

Здесь будет чуть сложнее. Под сверхтекучестью подразумевается движение жидкости без трения. Когда жидкость течет, ее продвижению мешает взаимодействие атомов жидкости со стенками сосуда и между собой, поскольку при этом происходит рассеивание энергии движения атомов.

Но мы то умные и знаем, что атом не может передать/принять любое количество энергии. Эта величина строго дозирована и определяется энергетическими уровнями.

А наши атомы (при экстремальном охлаждении) находятся и так в своих низших энергетических состояниях и зачастую, при столкновении, никакой передачи (а следовательно и рассеивания) энергии не происходит.

Возникает явление сверхтекучести.

Постарался объяснить максимально просто избегая терминов “квантовая жидкость”, “бозоны”, “фермионы” и “спин”. Получится ли так дальше - не уверен, потому что чем ниже по шкале Кельвинов мы спускаемся, тем больше квантовой физики встречаем.

_______________________

Самое холодное вещество, полученное экспериментально

Конденсат Бозе-Эйнштейна

Твердые тела формируют кристаллы, жидкости сверхтекут, а что происходит с газами при критическом охлаждении? На этот вопрос попытался ответить Эйнштейн совместно с Бозе еще в 1925 году. Экспериментальное подтверждение этой теории мы увидели лишь спустя 70 лет, когда в лаборатории получили новое агрегатное состояние вещества, охлажденного до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли кельвина).

В таком сильно охлажденном состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях, и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне.

Согласно теории Бозе-Эйнштейна бозоны, которыми являются, например, и отдельные элементарные частицы — фотоны, и целые атомы, могут находиться друг с другом в одинаковых квантовых состояниях (уплотнятся в одном и том же месте).

Ммм.. постараюсь объяснить. Если в обычных условиях газ старается заполнить весь объем сосуда равномерно, то добавив в этот сосуд конденсат Бозе-Эйнштейна (по объему равный уже присутствующему газу) из атомов того же газа мы увидим, что весь конденсат “сконденсируется” в одной точке сосуда, а не заполнит половину объема, как в классической механике. Все потому, что квантовая механика позволяет ”накладывать” бозоны друг на друга, если они находятся в одном энергетическом состоянии. А конденсат - это именно одно (низшее) энергетическое состояние.

Если все еще не понятно, то посмотрите на картинку эксперимента с конденсацией атомов рубидия. Чем выше на картинке пик, тем больше атомов в данной точке пространства находится.

В чем интерес всего этого? Мы в результате получаем плотный комок атомов, которые ведут себя одинаково (связанно?) и при этом проявляют квантовые эффекты. Ура! У физиков есть куча новой работы для изучения!

_______________________

Всем семи донатерам - сердечная благодарность, шоколадки были вкусные)

Всем подписчикам - извинения, постов, видимо, больше не будет.

Небольшая часть объяснения тут: #comment_270992998