10 необычных состояний вещества
|
|
10. Аморфные твердые тела
Аморфные твердые тела - любопытная подгруппа тел в хорошо известном нам твердом состоянии. В обычных твердых объектах, молекулы очень организованы и не могут передвигаться очень свободно. Это придает твердому веществу высокую вязкость, благодаря чему оно может сопротивляться растеканию. Жидкие вещества, с другой стороны, имеют дезорганизованную молекулярную структуру, что позволяет им проходить мимо друг друга, расплескиваться, и принимать форму контейнера, в котором они хранятся. Аморфное твердое тело находится где-то посередине между этими двумя состояниями вещества. В процессе, известном как витрификация, жидкость охлаждается и ее вязкость повышается до такой степени, что она больше не течет подобно жидкости, но ее молекулы остаются неупорядоченными и не образуют кристаллическую структуру, как обычное твердое вещество. Самый известный пример аморфного твердого тела - стекло. В течение тысяч лет, люди делали стекло с помощью кремнезема. Когда стеклоделы охлаждают кремнезем в жидком состоянии, он на самом деле не затвердевает, когда его температура становится ниже точки плавления. Пока температура продолжает падать, вязкость увеличивается, и он начинает выглядеть как твердое вещество.
Тем не менее, молекулы по-прежнему сохраняют свою неорганизованную структуру. В этот момент, стекло становится аморфным твердым телом. Этот переходный процесс позволил ремесленникам создавать красивые и сюрреалистические стеклянные скульптуры. Так какое же функциональное различие между аморфным твердым телом и обычным твердым телом? В повседневной жизни, оно не такое уж большое. Стекло кажется совершенно твердым, пока Вы смотрите на него на молекулярном уровне. И не ведитесь на миф, что стекло может быть жидким в течение длительных периодов. Ленивые гиды любят рассказывать этот миф, хвастаясь старинным стеклом в церквях, которое часто выглядит толще внизу, но это на самом деле из-за несовершенства в процессе изготовления стекла, в результате чего стекло становится неравномерным по толщине, и его, естественно, размещают в окне более толстой стороной внизу. Тем не менее, хотя это может показаться не очень увлекательным, изучение аморфных твердых тел, таких как стекло, дало исследователям новые представления о фазовых переходах и молекулярной структуре.
9. Сверхкритические жидкости
Большинство фазовых переходов происходят при определенных параметрах температуры и давления. Общеизвестно, что повышение температуры в конечном счете превращает жидкость в газ. Однако, когда давление увеличивается вместе с температурой, жидкость превращается в сверхкритическую жидкость, которая имеет свойства как газа, так и жидкости. Например, сверхкритические жидкости могут проходить сквозь твердые тела подобно газу, но могут также действовать в качестве растворителя, как жидкость. Интересно, что сверхкритическая жидкость может быть либо более газообразной, либо более жидкой, в зависимости от комбинации давления и температуры. Это позволило ученым разработать различные предложения для использования сверхкритических жидкостей, начиная от самых необычных до вполне повседневных. Хотя сверхкритичные жидкости не так распространены, как аморфные тела, Вы, вероятно, в итоге взаимодействуете с ними почти так же часто, как и со стеклом. Сверхкритический диоксид углерода приобрел благосклонность пивоваренных компаний за свою способность действовать в качестве растворителя при добыче хмеля, в то время как кофейные компании используют его для производства лучших сортов кофе без кофеина. Сверхкритические жидкости также использовались, чтобы создать более эффективный гидролиз и позволить электростанциям работать при более высоких температурах. Хотя о таком состоянии вещества никто и не слышал, Вы, вероятно, используете побочные продукты сверхкритических жидкостей каждый день.
8. Вырожденное вещество
В то время как аморфные твердые тела, по крайней мере, встречаются на планете Земля, вырожденное вещество существует только в определенных типах звезд. Вырожденное вещество существует, когда внешнее давление вещества диктуется не температурой, как на Земле, а сложными квантовыми принципами, обычно принципом исключения Паули (подробнее об этом чуть позже). Благодаря этому, внешнее давление вырожденного вещества будет сохраняться, даже если температура вещества снизилась до абсолютного нуля. Два основных типа вырожденного вещества известны как электронно-вырожденное вещество и нейтронно-вырожденное вещество. Электронно-вырожденное вещество встречается в основном в белых карликах. Это вещество формируется в ядре звезды, когда масса вещества вокруг ядра пытается сжать электроны ядра до низшего энергетического состояния.
Тем не менее, в соответствии с принципом Паули, две такие частицы не могут быть в одном и том же энергетическом состоянии. Таким образом, частицы "отбрасываются» обратно на материал вокруг ядра, создавая внешнее давление, из-за квантовых законов, диктующих, что все электроны в ядре не могут существовать в самом низком энергетическом состоянии. Это может быть только, если масса звезды меньше в 1,44 раза, чем масса нашего Солнца. Если звезда будет больше этого предела (известного как предел Чандрасекара), она просто станет нейтронной звездой или черной дырой. Когда звезда превращается в нейтронную звезду, она больше не имеет электронно-вырожденного вещества, а состоит из нейтронно-вырожденного вещества. Так как нейтронная звезда настолько тяжела, она заставляет электроны соединяться с протонами в ядре, создавая нейтроны. Свободные нейтроны (нейтроны, не соединенные в атомном ядре), как правило, имеют период полураспада 10,3 минут. Но в ядре нейтронной звезды, масса звезды позволяет нейтронам существовать вне ядра, образуя нейтронно-вырожденное вещество. Существуют и другие экзотические формы вырожденного вещества, в том числе необычное вещество, которое может встречаться в редком виде звезды, под названием кварковая звезда. Кварковые звезды – это стадия между нейтронной звездой и черной дырой, где кварки в ядре разъединяются и создают смесь свободных кварков. Мы пока не наблюдали такого рода звезды, но физики продолжают строить теории об их существовании.
7. Сверхтекучая жидкость
Вернемся на Землю, чтобы обсудить сверхтекучую жидкость. Сверхтекучая жидкость - это состояние вещества, которое существует, когда некоторые изотопы гелия, рубидия, лития охлаждаются до почти абсолютного нуля. Это похоже на конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК), но есть небольшие различия. Некоторые конденсаты Бозе-Эйнштейна – сверхтекучие жидкости, а некоторые сверхтекучие жидкости являются конденсатами Бозе-Эйнштейна, но не все из каждого класса входят в другой. Самая распространенная сверхтекучая жидкость – жидкий гелий. Когда гелий охлаждают до "лямбда-точки» в 2,17 градуса Кельвина, часть жидкости становится сверхтекучей. Когда большинство веществ охлаждают до определенной точки, притяжение между атомами преодолевает тепловые колебания в веществе, что позволяет веществу образовать твердую структуру. Но атомы гелия взаимодействуют друг с другом так слабо, что он может оставаться жидким вплоть до абсолютного нуля. На самом деле, при этой температуре, характеристики отдельных атомов перекрываются, создавая необычные свойства сверхтекучей жидкости. Для начала, сверхтекучая жидкость не имеет внутренней вязкости. Сверхтекучая жидкость, помещенная в пробирку, начнет ползти вверх по бокам трубки, казалось бы, нарушая законы гравитации и поверхностного натяжения. Утекает жидкий гелий очень легко, потому что он может течь через любое микроскопическое отверстие. Сверхтекучие жидкости также проявляют необычные термодинамические свойства. Они имеют нулевую термодинамическую энтропию и бесконечно теплопроводны. Это означает, что две сверхтекучие жидкости не могут иметь перепадов температуры. Если тепло направить на сверхтекучую жидкость, она будет проводить его так быстро, что создадутся тепловые волны: это свойство, которым не обладают обычные жидкости.
6. Конденсат Бозе-Эйнштейна
Конденсаты Бозе-Эйнштейна, вероятно, одна из самых известных малоизученных форм вещества, но также одна из самых трудных для понимания. Во-первых, мы должны уяснить, что такое бозоны и фермионы. Фермионы – это частица с полуцелым спином (например, электрон) или сложная частица (как протон). Эти частицы подчиняются принципу Паули, благодаря которому создается электронно-вырожденное вещество. Бозон, однако, имеет полный целый спин и несколько бозонов могут иметь одинаковое квантовое состояние. Бозоны включают в себя любую частицу-переносчика энергии (например, фотоны), а также некоторые атомы, в том числе нашего друга гелия-4 и другие газы. Элементы в этой категории известны как бозонные атомы. В 1920 году, Альберт Эйнштейн использовал работу индийского физика Сатиендра Ната Бозе, чтобы предложить идею о новом состоянии вещества. Оригинальная теория Эйнштейна состояла в том, что если Вы охлаждаете определенные элементарные газы на доли Кельвина выше абсолютного нуля, их волновые функции будут объединяться для создания одного "сверхатома."
Такое вещество бы показало квантовые эффекты на макроскопическом уровне. Но этого не происходило до 1990-х годов, потому что еще не было технологии, способной достаточно охладить элементы до нужной температуры. В 1995 году исследователи Эрик Корнелл и Карл Вейман смогли объединить 2000 атомов в конденсате Бозе-Эйнштейна, который был достаточно большим, чтобы рассматривать его в микроскоп. Конденсаты Бозе-Эйнштейна очень похожи на сверхтекучие жидкости, но имеют свой собственный уникальный набор свойств. Самым шокирующим является то, что БЭК может замедлить свет от его обычной скорости в 300000 метров в секунду. В 1998 году Гарвардский исследователь Лене Хау был в состоянии замедлить свет до целых 60 километров в час (37 миль в час), пропуская лазер через сигарообразный образец БЭК. В более поздних экспериментах, команда Хау смогла полностью остановить свет в БЭК, выключив лазер, когда он прошел через образец. Эти эксперименты открыли совершенно новые области в световых и квантовых технологиях.
5. Металлы Яна-Теллера
Металлы Яна-Теллера – новички среди всех состояний вещества, так как ученые успешно создали их в первый раз только в 2015 году. Если это открытие подтвердится другими лабораториями, этот эксперимент сможет изменить мир, так как металлы Яна-Теллера имеют свойства как изолятора, так и сверхпроводника. Исследователи во главе с химиком Космасом Прассидесом экспериментировали, взяв молекулы углерода-60 (в просторечии известные как бакиболлы) и вставляя рубидий в их структуру, что заставило молекулы углерода-60 принять новую форму. Металл назвали в честь эффекта Яна-Теллера, который описывает, как давление может превратить геометрическую форму молекул в новые электронные конфигурации. В химии, давление осуществляется не только за счет сжатия чего-то, но также может быть достигнуто путем добавления новых атомов или молекул в ранее существовавшую структуру, изменяя ее основные свойства. Когда исследовательская команда Прассидеса начала вставлять рубидий в молекулы углерода-60, молекулы углерода превратились из изолятора в сверхпроводник. Тем не менее, из-за эффекта Яна-Теллера, молекулы пытались остаться в своей старой конфигурации, что создало вещество, которое похоже на изолятор, но имеет электрические свойства сверхпроводника. Переход между изолятором и сверхпроводником никогда не наблюдали до совершения этих экспериментов. Что действительно интересно касаемо металлов Яна-Теллера, так это то, что они становятся сверхпроводником при высоких температурах (-135 градусов по Цельсию, в отличие от -243,2 градусов по Цельсию). Это делает их ближе к приемлемому уровню для массового производства и экспериментов. Если эти утверждения правильны, мы намного ближе к массовому производству материалов, которые проводят электричество без сопротивления - не производя тепла, звука, и не высвобождая энергию - таким образом, произойдет революция в производстве и транспортировке энергии.
4. Фотонное вещество
В течение многих десятилетий, традиционно считалось, что фотоны - частицы без массы, которые не взаимодействуют друг с другом. Тем не менее, за последние несколько лет, исследователи Массачусетского института технологии и Гарварда обнаружили новые способы сделать так, чтобы свет имел массу, и даже создали «легкие молекулы», которые отталкиваются друг от друга и связываются друг с другом. Если это звучит скучно, имейте ввиду, что это, по сути, первый шаг к созданию светового меча. Наука о фотонном веществе немного сложна, но придется смириться с этим. (Помните о световых мечах). Исследователи начали создавать фотонное вещество посредством экспериментов с переохлажденным газом рубидия. Когда фотон пропускают через газ, он меняет направление и взаимодействует с молекулами рубидия, теряя энергию и замедляясь. В конце концов, фотон выходит из газового облака, значительно замедляясь, но абсолютно не изменившись. Необычные вещи начинают происходить, когда Вы пропускаете два фотона через газ, что вызывает явление, известное как блокада Ридберга. Когда атом возбуждается фотоном, близлежащие атомы не могут быть возбуждены в той же степени. По сути, возбужденный атом мешает фотонам.
Для того, чтобы окружающий атом возбудился от второго фотона, первый фотон должен пройти через газ. Фотоны, как правило, не взаимодействуют друг с другом, но, когда они сталкиваются с блокадой Ридберга, они проталкивают друг друга через газ, обмениваясь энергией и взаимодействуя друг с другом по дороге. С внешней точки зрения, эти фотоны, кажется, имеют массу и действуют как одна молекула, хотя они по-прежнему не обладают массой. Когда фотоны возникают от газа, они соединены, как в молекуле света. До практического использования фотонного вещества еще далеко, но исследователь Михаил Лукин имеет уже целый список возможных способов применения, начиная от компьютеров до создания 3-D кристаллов, состоящих полностью из света, и, да-да, для создания световых мечей.
3. Неупорядоченная сверходнородность
Пытаясь определить, является ли какое-то вещество новым состоянием материи, ученые смотрят на структуру этого вещества, а также его свойства. В 2003 году Сальваторе Торквато и Фрэнк Х. Стиллинжер из Принстонского университета обнаружили новое состояние вещества, известное как неупорядоченная сверходнородность. Хотя это может показаться оксюмороном, идея состоит в том, что новый тип вещества может показаться неупорядоченным, если рассматривать его вблизи, но очень однороден и структурирован на более дальней дистанции. Такое вещество будет иметь свойства и кристалла и жидкости. Сначала оно, как казалось, встречалось только в обычной плазме и нашем жидком водороде, но в последнее время исследователи обнаружили пример в природе в самом неожиданном месте: в глазах курицы. У куриц есть 5 конусов в глазах. Четыре различают цвет и один определяет уровни света.
Тем не менее, в отличие от человеческого глаза или шестиугольных глаз насекомых, эти конусы оказались расположены случайным образом, без какого-либо определенного порядка. Это происходит потому, что конусы в глазах курицы имеют запретную зону вокруг них, которая не позволяет двум конусам того же типа находиться рядом друг с другом. Из-за запретной зоны и формы конусов, они не в состоянии сформировать упорядоченную кристаллическую структуру (как ту, которую мы видим в твердых телах), но когда все конусы рассматриваются как единое целое, то получается, что они на самом деле имеют очень упорядоченную структуру, как можно заметить на этих фотографиях из Принстона. Таким образом, мы можем описать эти конусы в глазах курицы как жидкость, если смотреть близко, и как твердые тела, если смотреть издалека. Это отличается от аморфных твердых тел, упомянутых выше, так как сверходнородный может проявлять свойства жидкости, в то время как аморфные твердые тела не могут. Ученые все еще исследуют это новое состояние вещества, которое может быть более распространенным, чем первоначально считалось. Прямо сейчас, Принстонские исследователи изучают использование сверходнородных материалов, чтобы создать самоорганизующиеся структуры и световые датчики, для определенных частот.
2. Струнно-сетевая жидкость
Каково состояние вещества в вакууме космоса? Большинство людей не задумывались над этим вопросом, но в последнее десятилетие исследователь из Массачусетского технологического института Сяо Ган-Вэнь Цзябао и исследователь из Гарварда Майкл Левин обнаружили новое состояние вещества, которое могло бы стать ключом к открытию фундаментальных частиц помимо электрона. Путь к разработке модели струнно-сетевой жидкости начался в середине 90-х годов, когда группа ученых выступила с открытием того, что они называют «квази-частицами», которые обнаружились в эксперименте, где электроны проходили между двумя полупроводниками. Это вызвало настоящий переполох, так как квазичастицы действовали, словно у них был уменьшенный заряд, что физика в то время считала невозможным. Команда исследователей изучила эти данные и предположила, что электрон - не фундаментальная частица Вселенной, и что были другие фундаментальные частицы, которые мы еще не нашли. Их работа получила Нобелевскую премию, но позднее было обнаружено, что их результаты были вызваны ошибкой в эксперименте. Идея «квази-частиц» развеялась. Но некоторые исследователи не отказались от нее полностью. Вэнь Цзябао и Левин использовали идею о «квази-частицах» и предложили новое состояние вещества, известное как струнно-сетевая жидкость. Это состояние вещества обладало квантовой запутанностью в качестве основного свойства. Как и неупорядоченная сверходнородность, если посмотреть на струнно-сетевую жидкость вблизи, она, как оказалось, имеет неупорядоченный набор электронов.
Однако, глядя на всю структуру в целом, Вы увидите, что она очень упорядочена из-за свойства квантовой запутанности электронов. Вэнь Цзябао и Левин затем расширили свою работу, чтобы охватить другие частицы и свойства запутывания. Когда компьютерные модели нового состояния вещества были разработаны, Вэнь Цзябао и Левин обнаружили, что струнно-сетевая жидкость може производить различные субатомные частицы, которые нам уже хорошо известны, в том числе легендарные «квази-частицы». Еще более шокирующим стало то, что они обнаружили, что, когда струнно-сетевая жидкость вибрирует, как они вычислили в соответствии с уравнениями Максвелла, это регулирует свет. В своих работах, Вэнь Цзябао и Левин предположили, что космос заполнен струнными сетями запутанных субатомных частиц и концы этих «струн» являются субатомными частицами, которые мы видим.
Они также предложили, что эта струнно-сетевая жидкость - это то, благодаря чему существует свет. Если вакуум космоса заполнен струнно-сетевой жидкостью, это позволит объединить вещество и свет. Это все может кажется очень надуманным, но в 1972 году (за десятилетия до предположения о струнно-сетевой жидкости) геологи обнаружили странный минерал в Чили, известный как герберсмитит. В этом минерале, электроны образуют треугольные структуры, которые, кажется, противоречат тому, что мы знаем о том, как электроны взаимодействуют друг с другом. Однако, эта треугольная структура связана со струнно-сетевой жидкостью, и исследователи работали с искусственным герберсмититом, чтобы попытаться доказать, что ее модель точна. К сожалению, эксперты все еще не определили, на самом ли деле, существует это теоретическое состояние вещества.
1. Кварк-глюонная плазма
И, наконец, нашим последним неизвестным состоянием вещества является кварк-глюонная плазма. На самом деле, ранняя Вселенная обладала совсем другим состоянием вещества, чем наши известные классические состояния. Но сначала приведем немного общих сведений. Кварки - элементарные частицы, которые мы можем найти внутри адронов (например, протонов и нейтронов). Адроны состоят либо из трех кварков, либо одного кварка и одного анти-кварка. Кварки имеют дробные заряды и скрепляются глюонами, которые являются обменными частицами сильной ядерной силы. Мы не наблюдаем свободных кварков в природе, но сразу же после Большого Взрыва, свободные кварки и глюоны существовали в течение миллисекунды. В течение этого времени, температура Вселенной была настолько горячей, что кварки и глюоны едва взаимодействовали друг с другом, в то время как они двигались примерно со скоростью света. В течение этого периода времени, Вселенная полностью состояла из этой горячей кварк-глюонной плазмы. Через еще одну долю секунды, Вселенная остыла достаточно, чтобы позволить тяжелым частицам, таким как адроны, сформироваться, и кварки начали взаимодействовать с глюонами и друг с другом.
С того момента, Вселенная, которую мы знаем сейчас, начала формироваться, где адроны соединялись с электронами, чтобы создать первоначальные атомы. В текущей фазе Вселенной, ученые попытались воссоздать кварк-глюонную плазму в больших ускорителях частиц. Во время этих экспериментов, тяжелые частицы, такие как адроны, разбивались друг о друга, создавая температуры, которые позволяли кваркам разъединяться ненадолго. Благодаря этим ранним экспериментам, мы уже узнали о некоторых свойствах кварк-глюонной плазмы, которая, оказалось совсем невязкой и гораздо ближе к жидкости, чем мы привыкли думать о плазме. По мере того, как исследователи продолжают экспериментировать с этим экзотическим состоянием вещества, мы узнаем все больше и больше о том, как и почему наша Вселенная образовалась в таком виде, в котором она сейчас.
Материал подготовила Александра Ермилова - по статье сайта listverse.com
Copyright Muz4in.Net © - Данная новость принадлежит Muz4in.Net, и являются интеллектуальной собственностью блога, охраняется законом об авторском праве и не может быть использована где-либо без активной ссылки на источник. Подробнее читать - "об Авторстве"
Вам понравилась статья? Просто перейди по рекламе после статьи. Там ты найдешь то, что ты искал, а нам бонус...
|
|
Почитать ещё:
-
Олег 25.04.2016 06:00 Материал