06.08.2015. - Вырожденное вещество и другие состояния материи

Вырожденное вещество и другие состояния материи

Большинство людей могут легко назвать три классических состояния материи: жидкое, твердое и газообразное. Те, кто хотя бы немного интересовался физикой, добавят к этому списку плазму. Но на самом деле сегодня учёные существенно расширили список возможных состояний материи. Сегодня их, как минимум, десять.

1. Аморфные тела

Аморфные твердые вещества — необычная подгруппа известного твердого состояния материи. В обычном твердом объекте молекулы высоко организованы и не могут свободно передвигаться. Это придает твердому веществу высокую вязкость, которая является мерой сопротивления. А в жидкости — наоборот, молекулярная структура дезорганизована, что позволяет молекулам свободно двигаться, а жидкости — принимать форму сосуда, в который ее наливают.

Аморфное твердое вещество находится на полпути между этими двумя состояниями материи. Во время процесса, известного как витрификация, жидкость охлаждается и его вязкость повышается до такой степени, что она больше не течет подобно жидкости, но ее молекулы остаются неупорядоченными и не образуют кристаллическую структуру, как у нормального твердого вещества. Наиболее распространенным примером аморфного твердого вещества является стекло.

2. Сверхкритические флюиды

Большинство фазовых переходов из одного состояния в другое происходят при определенных температуре и давлении. Общеизвестно, что повышение температуры в конечном счете превращает жидкость в газ. Однако, когда давление увеличивается вместе с температурой, жидкость вместо этого переходит в сверхкритическое состояние, которое имеет свойства как газа, так и жидкости. Например, сверхкритические жидкости могут проходить сквозь твердые тела, как газ, но могут также действовать в качестве растворителя, как жидкость. Интересно, что сверхкритическая жидкость может обладать большинством свойств газа или жидкости, в зависимости от комбинации давления и температуры.

3. Вырожденное вещество

Аморфные твердые вещества существуют даже на планете Земля, а вырожденная материя может существовать только в звездах определенного типа. Подобная материя существует, когда ее форма и стабильность диктуются не температурой, как на Земле, а сложными квантовыми принципами, подобным принципу Паули. Из-за этого форма вырожденного вещества будет сохраняться, даже если температура вещества снизится до абсолютного нуля.

Известны два основных типа вырожденного вещества: электронно-вырожденное вещество и нейтронно-вырожденное вещество. Электронно-вырожденная материя существует в основном в звездах типа белый карлик, при условии, если масса звезды меньше в 1,44 раза, чем масса нашего Солнца. Если звезда массивнее этого предела (известного как предел Чандрасекара), она просто сколлапсируется в нейтронную звезду или черную дыру. А в черной дыре вещество преобразуется в нейтронно-вырожденную форму. Свободные нейтроны (не связанные в атомном ядре), как правило, имеют период полураспада 10,3 минуты, а в ядре нейтронной звезды нейтроны существуют вне ядра, образуя нейтронно-вырожденное вещество.

4. Сверхтекучее вещество

С далеких звезд перейдем вновь к Земле, чтобы обсудить сверхтекучесть. Сверхтекучее - состояние материи, которое существует, когда некоторые изотопы гелия, рубидия и лития охлаждаются до почти абсолютного нуля. Наиболее распространенным является сверхтекучий жидкий гелий. Когда гелий охлаждают до так называемой "точки" лямбда - 2,17 градусов Кельвина, то часть жидкости становится сверхтекучей. При этом атомы гелия взаимодействуют друг с другом так, что он может оставаться жидким вплоть до абсолютного нуля.

Также вещество в данном состоянии имеет очень странные свойства. Сверхтекучая жидкость, помещенная в пробирку, начинает ползти вверх по бокам пробирки, казалось бы, нарушая законы гравитации и поверхностного натяжения. При это жидкий гелий удержать невероятно сложно, поскольку он просачивается через малейшие поры. К примеру, из стандартного термоса, он "загадочно исчезнет" буквально за считанные минуты.

5. Конденсат Бозе-Эйнштейна

Конденсат Бозе-Эйнштейна, вероятно, является одной из самых неизученных и трудных для понимания форм материи. Во-первых, нужно понять, что такое бозоны и фермионы. Фермионов - частицы с полуцелым значением спина, такие как кварки и лептоны. Эти частицы подчиняются принципу Паули, с помощью которого образуется электронно-вырожденное вещество.

Бозон — частица с целым значением спина, а несколько бозонов могут принимать одинаковое квантовое состояние. К бозонам относятся любые частицы с зарядом энергии (например, фотоны). В 1920-х годах Альберт Эйнштейн, основываясь на работах индийского физика Бозе, предположил существование новой формы материи, основу которой составляют бозоны, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю. (меньше миллионной доли градуса выше абсолютного нуля).

Конденсаты Бозе-Эйнштейна очень похожи на сверхтекучее вещество, но имеют свои собственные уникальные свойства. Самым шокирующим является то, что БЭК может замедлить скорость света от его нормальной скорости в 300 000 метров в секунду. В 1998 году Гарвардский исследователь Лене Хау смог замедлить свет до всего лишь 60 километров в час, выстреливая лучом лазера сквозь сигарообразный образец БЭК. В ходе более позднего эксперимента, команда Хау смогла полностью остановить свет в БЭК.

6. Металл Яна-Теллера

Подобное вещество исследователям удалось успешно создать только в 2015 году. Если их эксперименты подтвердятся другими лабораториями, то это может изменить мир, поскольку метал Яна-Теллера обладают свойствами как изолятора, так и сверхпроводника одновременно. В металле, который был назван в честь эффекта Яна-Теллера, давление может преобразовывать геометрическую форму молекул в новые электронные конфигурации. Проще говоря, получившееся вещество может легко менять свое состояние на проводник, изолятор, металл и магнитный материал. Свойства подобного материала изменяются в зависимости от расстояния между атомами в кристаллической решетке. Расстояние же меняют с помощью давления, но не обычного механического, а химического.

7. Фотонная материя

В течение многих десятилетий считалось, что фотоны - частицы, не имеющие массы, которые не взаимодействуют друг с другом. Тем не менее, в последние несколько лет исследователи обнаружили новые способы, чтобы придать свету массу и даже создали "легкие молекулы", которые отражаются друг от друга и образовывают связи друг с другом. Это, по сути, первый шаг к созданию светового меча из "Звездных войн".

8. Неупорядоченная гипероднородность

При попытках перевести вещество в новое состояние материи, ученые смотрят на структуру вещества, а также на его свойства. В 2003 году Сальваторе Торквато и Фрэнк Стиллинжер из Принстонского университета предложили новое состояние материи, названное неупорядоченной гипероднородностью. Что самое интересное, они открыли новое состояние вещества после внимательного изучения глаза цыпленка.

Оказалось, что клетки в сетчатке куриного глаза располагаются хаотично, но при этом равномерно. Вещество в подобном состоянии проявляет свойства жидкости и кристалла одновременно. Казалось бы, подобное возможно только в состоянии плазмы, но природа оказалась хитрее. Предполагается, что подобное открытие может помочь в разработке принципиально инновационных устройств для передачи света.

9. Струнно-сетевая жидкость

Какое состояние материи в вакууме космоса? Большинство людей не задумывались над этим вопросом, но в последнее десятилетие ученые Массачусетского технологического института Сяо Ган-Вэнь Цзябао и Гарвард Майкл Левин предположили гипотетическое новое состояние материи, которое может стать ключом к открытию фундаментальных частиц меньше электрона.

Еще в середине 90-х годов группа ученых заявила о возможности существования так называемых "квази-частиц", поскольку в ходе эксперимента электроны проходили между двумя полупроводниками. Это вызвало настоящий переполох, так как квазичастицы действовали так, как будто они имели дробный заряд, что считалось невозможным в физике. На основании этих данных команда предположила, что электрон не является фундаментальной частицей Вселенной, а также что существуют более фундаментальные частицы, которые люди еще не обнаружили. Их работа получила Нобелевскую премию, но позднее было обнаружено, что результаты были вызваны ошибкой в эксперименте.

Идея "квази-частиц" была опровергнута. Но некоторые исследователи не отказались от нее полностью. Вэнь Цзябао и Левин продолжили работу над "квази-частицами" и предположил существование нового состояния материи, известного как струнно-сетевая жидкость, основным свойством которой является квантовая запутанность. В своих работах, Вэнь Цзябао и Левин заявили, что космос заполнен струнными сетями запутанных субатомных частиц.

10. Кварко-глюонная плазма

Изначально Вселенная пребывала в совсем другом состоянии материи, чем сейчас. Считается, что в природе нет свободных кварков, но сразу после Большого Взрыва, свободные кварки и глюоны существовали в течение миллисекунды. В течение этого времени, температура Вселенной была так высока, что кварки и глюоны взаимодействовали друг с другом.

В течение этого периода времени Вселенная полностью состояла из горячей кварко-глюонной плазмы. Кварко-глюонная плазма? состояние материи, в которой высвобожденные цветные кварки и глюоны образуют непрерывную среду (хромоплазму), а также могут распространяться в ней как квазисвободные частицы. Возникает так называемая "цветопроводимость", которая аналогична электропроводимости, возникающей в обычной электронно-ионной плазме.

http://www.novate.ru/blogs/040815/32416/