10 необычных состояний вещества
Экология знаний. Большинство людей могут легко назвать три классических состояния вещества: влажное, твердое и газообразное. Со временем, однако, ученые расширили круг вопросов.
Большинство людей могут легко назвать три классических состояния вещества: жидкое, твердое и газообразное. Те, кто немного разбирается в науке, добавляют к этим трем понятиям существо.
Однако со временем ученые расширили список возможных проблемных ситуаций за пределы этих четырех. Попутно мы узнали много нового о великом взрыве материи, света и тайных состояний, скрытых в скромной курице.
Аморфные и твердые
Аморфные твердые тела представляют собой довольно интересное подмножество хорошо известных твердых тел. В типичном твердом теле молекулы хорошо организованы, и у них не так много места для перемещения. Это делает их очень вязкими. Это мера сопротивления потоку. Жидкости, с другой стороны, имеют неорганизованную молекулярную структуру, что позволяет им течь, растекаться, менять форму и приобретать форму контейнера. Аморфные твердые тела находятся где-то между этими двумя ситуациями. В процессе витрификации жидкость охлаждается, ее вязкость увеличивается, пока она не перестает течь как жидкость, но ее молекулы остаются нерегулярными и не приобретают кристаллическую структуру, как у обычного твердого тела.
Наиболее распространенным примером аморфного твердого тела является стекло. На протяжении тысячелетий люди производили стекло из диоксида кремния. Когда глазомер охлаждает диоксид кремния из жидкого состояния, он фактически не затвердевает, опускаясь ниже точки плавления. При понижении температуры вязкость увеличивается, и вещество становится более твердым. Однако его молекулы остаются нерегулярными. Затем стекло одновременно становится аморфным и твердым. Этот переходный процесс позволил мастерам создавать красивые и сюрреалистические стеклянные конструкции.
Каковы же функциональные различия между аморфными и обычными твердыми телами? В повседневной жизни это не особенно заметно. Стекло кажется абсолютно твердым, пока вы не рассмотрите его на молекулярном уровне. И миф о том, что стекло со временем истощается, — это даже не миф. В большинстве случаев этот миф подкрепляется аргументом, что старое стекло в церквях кажется толще в нижней части, но это связано с дефектом в процессе выдувания стекла при изготовлении этих стекол. Однако изучение аморфных твердых тел, таких как стекло, представляет научный интерес для исследования фазовых переходов и молекулярных структур.
Сверхкритические жидкости (флюиды)
Большинство фазовых переходов происходит при определенных температурах и давлениях. Хорошо известно, что повышение температуры в конечном итоге превращает жидкость в газ. Однако при увеличении давления с ростом температуры жидкость переходит в сферу суперлипидной жидкости, которая обладает свойствами как газа, так и жидкости. Например, сверхкритическая жидкость может проходить через твердые тела как газ, но также может действовать как растворитель как жидкость. Интересно, что в зависимости от сочетания давления и температуры сверхкритические жидкости могут выглядеть как газы или жидкости. Это позволило ученым найти множество применений для сверхкритических жидкостей.
Сверхкритические жидкости не так распространены, как аморфные твердые тела, но, вероятно, будут взаимодействовать с ними так же часто, как со стеклом. Сверхкритический диоксид углерода любят за его способность выступать в качестве растворителя при взаимодействии с хмелем в пивоварении, а кофейные компании используют его для приготовления лучшего кофе без кофеина. Переполненные жидкости также используются для более эффективного гидролиза, поддерживая высокую температуру. В целом, вы, вероятно, используете герметичные жидкие субпродукты каждый день.
Вырожденный газ
Аморфные твердые тела встречаются по крайней мере на планете Земля, а вырожденная материя — только на некоторых типах звезд. Дегенеративные газы существуют, когда внешнее давление вещества определяется не температурой, как на Земле, а принципом Паули, особо сложным квантовым принципом. Таким образом, внешнее давление вырожденного вещества сохраняется даже при снижении температуры до абсолютного нуля. Известны два основных типа вырожденной материи. Это вырождение электронов и денатурированные нейтроны.
Материалы, включающие электроны, в основном встречаются в белых карликах. Когда масса материала вокруг ядра пытается сжать ядерные электроны до состояния с более низкой энергией, в ядре звезды образуется. Однако, согласно принципу Паули, две одинаковые частицы не могут находиться в одном и том же энергетическом состоянии. Поэтому частицы «отталкивают» материал вокруг ядра, создавая давление. Это возможно только в том случае, если звезда имеет массу менее 1,44 солнечных масс. Если звезда превысит этот предел (известный как Чандрасекхар), она просто схлопнется в нейтронную звезду или черную дыру.
Когда звезда коллапсирует в нейтронную звезду, вместо электронной материи у нее появляется нейтральная материя. Поскольку нейтронная звезда тяжелая, из протонов в ядре получаются электроны, образуя нейтроны. Половина свободных нейтронов (нейтронов, не закрепленных в атомном ядре) составляет 10,3 мин. Однако в центре нейтронной звезды масса звезды позволяет нейтронам существовать вне ядра и формировать из нейтронов вещество.
Могут существовать и другие экзотические формы вырожденного материала. Это включает в себя странные проблемы, которые могут существовать в кварковых звездах, которые являются редкими формами звезд. Кварки — это ступень между нейтронной звездой и черной дырой, где кварки в ядре отсекаются, образуя суп из свободных кварков. Мы пока не знаем о существовании такого типа звезд, но физики признают их существование.
Сверхтекучесть
Давайте вернемся на Землю и обсудим превышение. Избыточное жюри — это состояние некоторых изотопов Солнца, ровида, литиевой материи, которая охладилась почти до абсолютного нуля. Эта ситуация похожа на ситуацию с Бозе-Инштейном (Бозе-Интин Консенсат, Бек) с некоторыми отличиями. Некоторые БЭК являются сверхъестественными, а некоторые дополнительные ситуации являются БЭК, но не все они одинаковы.
Мокрое солнце известно своим директором. Когда солнце охлаждается до точки «лямбда» -270 градусов Цельсия, часть жидкости становится ненужной. Когда большинство материалов охлаждается до определенной точки, притяжение между отдельными особями может превысить тепловые колебания материала и образовать твердую структуру. Однако солнечные стекла могут взаимодействовать очень слабо и оставаться жидкими при температурах, близких к абсолютному нулю. При таких температурах можно обнаружить, что свойства индивидуумов перекрываются, создавая странное свойство перекрытия.
Оверджеки не имеют присущей им вязкости. Оверлакт, помещенный в пробирку, начинает раскалывать стенки пробирки и, кажется, нарушает законы гравитации и поверхностного напряжения. Влажное солнце может даже пройти через небольшое отверстие, позволяя ему легко выйти наружу. Директор также обладает странными термодинамическими свойствами. В этом состоянии вещество обладает термодинамической энтропией и бесконечной теплопроводностью. Это означает, что два дополнительных вещества не могут быть термически различными. Когда к сверхтекучему веществу подводится тепло, оно отводится настолько быстро, что возникают тепловые волны, что не является свойством обычных жидкостей.
Конденсат Бозе — Эйнштейна
Конденсаты Бозе-Эйнштейна — это, пожалуй, одна из самых известных проблем. Во-первых, необходимо понять, что такое бозоны и фермионы. Фермионы — это частицы с полуцелым спином (например, электроны) или комплексные частицы (например, протоны). Эти частицы следуют принципу Паули, который допускает существование материи, производной от электронов. Однако бозоны имеют полный целочисленный спин, и многие бозоны, как можно понять, имеют одно и то же квантовое состояние. К бозонам относятся интенсивные частицы (например, фотоны) и некоторые индивидуумы, включая Солнце-4 и другие газы. Элементы этой категории известны как личности Бузона.
В 1920-х годах Альберт Эйнштейн принял работу индийского естествоиспытателя Сатьендры Натха Бооса в качестве основы для предложения новой формы материи. Первая теория Эйнштейна заключалась в том, что если охладить некоторые основные газы при температуре выше абсолютного нуля, то их волны сливаются и создают «гиперкотомбы». В таких материалах квантовые явления наблюдаются на макроскопическом уровне. Однако только в 1990-х годах стали доступны технологии, необходимые для охлаждения данных при таких температурах. В 1995 году ученые Эрик Корнелл и Карл Виманн смогли объединить 2000 человек в конденсат Бозе-Эйнштейна.
Конденсат Бозе-Эйнштейна тесно связан со сверхъестественным, но при этом обладает собственным уникальным набором свойств. Интересно также то, что BEC может замедлять скорость обычного света. В 1998 году гарвардский ученый Рене Хоув пропустил лазер через образец BEC в виде сигары, который смог замедлиться до 60 км/ч. В более поздних экспериментах команда Хоува смогла полностью остановить свет BEC, выключив лазер, когда он проходил через образец. Эти эксперименты открыли новую область связи на основе света и квантовых информационных технологий.
Металлы Яна — Теллера
Металлы Ян-Теллера — это последнее творение в мире материальных ситуаций, поскольку ученые смогли успешно создать их в 2015 году. .
Ученые под руководством химика Космаса Прасидиса экспериментировали с введением рубиди в структуру молекулы углерода-60 (широко известной как фереллерен), в результате чего фереллерен приобрел новую форму. Металл назван в честь феномена Джантелера. Он описывает, как давление изменяет геометрию молекулы в новую электронную конфигурацию. В химии давление достигается не только путем сжатия некоторых материалов, но и путем добавления новых лиц или молекул к существующим структурам, изменяя их фундаментальные свойства.
Когда исследовательская группа Прасидиса начала добавлять красные молекулы углерода-60, молекулы углерода превратились из изоляторов в полупроводники. Однако из-за феномена Яна Теллера молекулы оставались в своей старой конфигурации, пытаясь создать материал, который пытался изолировать, но обладал электрическими свойствами сверхпроводника. Переход между изоляцией и сверхпроводимостью не был исследован до этих экспериментов.
Интересно, что в металле Джантелера он является сверхпроводником при высоких температурах (-135 градусов Цельсия, а не обычные 243,2 градуса). Это приближает его к приемлемым уровням для массового производства и экспериментов. Если это подтвердится, мы станем на шаг ближе к созданию сверхпроводника, работающего при комнатной температуре.
Фотонное вещество
На протяжении десятилетий фотоны считались безмассовыми частицами, которые не взаимодействуют друг с другом. Но в последние годы ученые из Массачусетского технологического института и Гарварда открыли новые способы «придать» свету массу, создав даже «молекулы света», которые отскакивают друг от друга и соединяются между собой. Некоторые предполагают, что это первый шаг к созданию светлой кожи.
Наука о фотонах немного сложнее, но понятнее. Ученые начали экспериментировать с переполненными газами для создания легких животных. Когда фотон проникает в газ, он отражается и взаимодействует с молекулами ровида, теряя энергию и замедляясь. В конце концов, фотон выходит из облака очень медленно.
Когда два фотона проходят через газ, начинают происходить странные вещи. В газе возникает явление, известное как блокировка Ридберга. Когда человек стимулируется фотоном, он не может стимулировать соседних людей в той же степени. Возбужденный человек препятствует фотону. Чтобы стимулировать находящегося рядом человека вторым фотоном, первый фотон должен пройти через газ. Обычно фотоны не взаимодействуют друг с другом, но когда они встречают блокирующий ридберговский газ, они выталкивают друг друга в газ, обмениваются энергией и взаимодействуют друг с другом. Внешне кажется, что фотоны имеют массу и действуют как одна молекула, но в действительности они остаются безмассовыми. Когда фотоны выходят из газа, они соединяются, например, молекулы света.
Реальное применение легкой материи пока сомнительно, но оно, безусловно, может быть найдено. Возможно, даже светло.
Неупорядоченная сверходнородность
Пытаясь определить, находится ли вещество в новом состоянии материи, ученые изучают его структуру и свойства. В 2003 году Сальваторе Торкато и Фрэнк Стирингер из Принстонского университета предложили новое состояние материи, известное как неупорядоченное сверхсознание. Эта фраза кажется противоречивым выражением, но в своей основе она описывает новый тип материи, которая лучше видна, но на расстоянии кажется чрезмерно организованной и структурированной. Для таких веществ необходимы кристаллические и жидкие свойства. На первый взгляд, это уже присутствует в живом и жидком водороде, но недавно ученые обнаружили природный пример там, где его никто не ожидает.
У цыплят на сетчатке глаза пять колбочек. Четыре определяют цвета, а один отвечает за уровень освещенности. Однако, в отличие от человеческого глаза или шестиугольного глаза насекомых, эти колбочки беспорядочно разбросаны без какого-либо реального порядка. Это связано с тем, что форма конуса куриного глаза имеет вокруг себя зону отчуждения, поэтому два конуса одного типа не могут находиться рядом друг с другом. Из-за исключения и формы конусов они не могут образовать упорядоченную кристаллическую структуру (как в твердых телах), но если все конусы рассматривать как один, то получается высокоупорядоченный узор, как показано на следующем изображении из Принстона. Поэтому эти колбочки в сетчатке глаза курицы можно назвать как жидкими, так и твердыми, если смотреть на них близко и издалека. Это отличается от аморфного твердого тела, описанного выше, так как этот сверхпроводящий материал выглядит как жидкость, в то время как аморфное твердое тело — нет.
Ученые все еще исследуют это новое состояние материи. Более того, потому что это заболевание может быть более распространенным, чем мы думали сначала. Теперь ученые Принстонского университета адаптируют такие сверхпроводящие материалы для создания самоорганизующихся структур и фотодетекторов, реагирующих на свет определенной длины волны.
Струнные сети
Каково состояние проблемы разрыва во вселенной? Большинство людей не задумываются об этом, но за последнее десятилетие Сяо Ган Вэнь из Массачусетского технологического института и Майкл Левин из Гарварда предложили новое состояние материалов, которое может привести к открытию фундаментальных частиц после электрона.
Путь к разработке струнной модели начался в середине 1990-х годов, когда группа ученых предложила так называемые квазичастицы, которые появляются в экспериментах, когда электрон проходит между двумя полупроводниками. Возникла путаница, потому что «Квантумы» вели себя так, как будто они были слегка нагружены. Ученые проанализировали полученные данные и предположили, что электрон не является фундаментальной частицей Вселенной, а существует фундаментальная частица, которая еще не была открыта. Эта работа принесла им Нобелевскую премию, но позже выяснилось, что в результаты были внесены экспериментальные ошибки. Квазичастицы были благополучно забыты.
Не все. Вэнь и Левин основывали свои идеи на квазичастицах и предложили новое условие для материалов: струнные сети. Основным свойством такой ситуации является квантовый передатчик. Если вы посмотрите на материал с сетью струн, расположенных близко друг к другу, как в случае с непослушным избытком науки, он выглядит как непослушный набор электронов. Но когда вы смотрите на него как на общую структуру, он кажется высококлассным из-за своих квантово сложных электронных свойств. Затем Вен и Левин расширили свою работу, чтобы охватить другие частицы и интерпретировать свойства.
Рассчитав модель новых условий существования материала, Вен и Левин обнаружили, что края струнной сети могут порождать различные субатомные частицы, включая легендарный «квант». Еще большим сюрпризом стало то, что когда материал String Network вибрирует, он делает это в соответствии с уравнениями Максвелла для света. Вен и Левин предположили, что Вселенная полна струнных сетей из сложных субатомных частиц и что концы этих струнных сетей представляют собой субатомные частицы, которые мы наблюдаем. Они также предположили, что сети мокрых струн могут объяснить существование света. Если светский промежуток заполнить сетью струн, то свет и материя могут быть объединены.
Все это может показаться очень натянутым, но в 1972 году (за десятилетия до предложения струнной сети) геологи обнаружили странный материал в Гербертсмитосе, Чили. В этом минерале электроны образуют треугольную структуру, которая противоречит всему, что мы знаем об электронах, взаимодействующих друг с другом. Более того, эта треугольная структура была предсказана в рамках модели «Струнная сеть», и ученые работали с искусственными Гербертсмитами, чтобы точно подтвердить эту модель.
Кварк-глюонная плазма
Когда речь заходит о последней ситуации в этом списке проблем, вспомните ситуацию, с которой все началось — Кварк — Существо. В ранней Вселенной состояние материи сильно отличалось от классического. Первое — это немного истории.
Кварки — это фундаментальные частицы, содержащиеся в адронах (таких как протоны и нейтроны). Адлон состоит либо из трех кварков, либо из кварка и антикварка. Кварки частично заряжены и прикреплены к глюонам, которые являются запасными частями сильных ядерных взаимодействий.
Свободных кварков в природе не существует, но сразу после Большого взрыва свободные кварки и глюоны существовали в течение одной миллисекунды. В это время температура Вселенной была настолько высокой, что кварки и глюоны двигались почти со скоростью света. В течение этого времени Вселенная полностью состояла из этого теплого кварк-глюонного существа. Через долю секунды Вселенная охладилась достаточно, чтобы образовались тяжелые частицы, такие как адроны, и кварки начали взаимодействовать друг с другом и с глюонами. С этого момента начала формироваться Вселенная, какой мы ее знаем, адроны начали присоединяться к электронам, и образовались первобытные атомы.
Ученые уже в современной Вселенной пытались воссоздать кварк-глюонное существо в больших ускорителях частиц. Во время этих экспериментов тяжелые частицы, такие как адлон, сталкивались друг с другом, создавая температуры, при которых кварки на короткое время разделялись. В ходе этих экспериментов мы многое узнали о свойствах кварк-глюонной плазмы. Это было совершенно без трения и казалось более жидким, чем обычная живая материя. Эксперименты, связанные с экзотическими состояниями материи, могут многому научить нас о том, как и почему образовалась наша Вселенная в том виде, в котором мы ее знаем.
