10 Neobvyklé záležitosti

Většina lidí může snadno pojmenovat tři klasické hmotné stavy kapaliny, pevných látek a plynu. Ti, kteří absolvovali několik dalších vědeckých kurzů, přidá do tohoto seznamu plazmu. Ale v průběhu let vědci rozšířili náš seznam možných stavů hmoty daleko za velké čtyři. V tomto procesu jsme se hodně dozvěděli o Velkém třesku, světelných mezích a tajném stavu hmoty, skrývající se v pokorném kuře.

10morfní pevné látky

Amorfní pevné látky jsou zajímavou podskupinou dobře známého pevného stavu. V normálním pevném objektu jsou molekuly vysoce organizované a nemohou se pohybovat velmi volně. To dává tuhým látkám vysokou viskozitu, což je míra odolnosti proti průtoku. Kapaliny mají na druhé straně neorganizovanou molekulární strukturu, která jim umožní proudit se kolem sebe, rozstříkat se a získat tvar kontejneru, v němž jsou uloženy. Mezi těmito dvěma stavy hmoty se vyskytuje amorfní pevná látka. V procesu známém jako vitrifikace se kapalina ochlazuje a její viskozita se zvětšuje až do okamžiku, kdy již neteče jako kapalina, ale její molekuly zůstávají neuspořádané a netvoří krystalovanou strukturu jako normální pevnou látku.

Nejběžnějším příkladem amorfní pevné látky je sklo. Po tisíce let lidé vyrobili sklo pomocí křemíku. Když skláři chladí křemičinu z kapalného stavu, ve skutečnosti se neztuhnou, když projde pod bod tání. Jak teplota stále klesá, viskozita se zvětšuje, takže se zdá být pevná. Nicméně molekuly stále udržují svou dezorganizovanou strukturu. V tomto okamžiku se sklo stane amorfní pevnou látkou. Tento přechodný proces umožnil řemeslníkům vytvářet krásné a surrealistické skulptury.

Jaký je tedy funkční rozdíl mezi amorfní pevnou látkou a normální pevnou látkou? V každodenním životě není moc. Sklo se zdá být úplně pevné, dokud se na to podíváte na molekulární úrovni. A nepřijměte mýtus, že sklo teče po dlouhou dobu jako kapalina. Lazy tour guides si zachovali tento mýtus tím, že předvedli staré sklo v kostelech, které často vypadají silněji na dno, ale to je vlastně kvůli nedokonalosti ve sklářském procesu, což vedlo k nerovnému sklu, který byl přirozeně umístěn v okně s tlustší stranou na dně. Nicméně, i když to nemusí být příliš vzrušující, studium amorfních pevných látek, jako je sklo, dalo výzkumníkům nový pohled na fázové přechody a molekulární strukturu.

9Superkritické kapaliny

Většina přechodů fází se vyskytuje za určitých teplotních a tlakových parametrů. Každý ví, že zvýšení teploty nakonec přemění kapalinu na plyn. Nicméně, když se tlak zvyšuje spolu s teplotou, tekutina místo toho vede do skoku nadkritických tekutin, které mají vlastnosti jak plynu, tak kapaliny.

Například superkritické kapaliny jsou schopné procházet pevné látky jako plyn, ale mohou také působit jako rozpouštědlo jako kapalina. Je zajímavé, že superkritická tekutina může být doladěna tak, aby byla plynu více podobná nebo více kapalné, v závislosti na kombinaci tlaku a teploty. To umožnilo vědcům přijít s různými aplikacemi pro nadkritické tekutiny, od extrémních až po světské.

Zatímco superkritické kapaliny nejsou tak běžné jako amorfní pevné látky, pravděpodobně stále skončíte s nimi pracovat téměř tak často, jak se budete chovat v interakci se sklem. Superkritický oxid uhličitý získal pro firmu pivovaru výhodu kvůli své schopnosti působit jako rozpouštědlo při extrakci chmele, zatímco kávové společnosti ho používají k výrobě lepší káva bez kofeinu. Nadkritické tekutiny byly také použity k vytvoření efektivnější hydrolýzy a umožnění provozu elektráren při vyšších teplotách. Pro stav, o kterém nikdo neslyšel, pravděpodobně používáte vedlejší produkty nadkritických tekutin každý den.

8Degenerujte záležitost

Zatímco amorfní pevné látky se alespoň vyskytují na planetě Zemi, degenerovaná hmota existuje pouze v rámci určitých typů hvězd. Degenerovaná hmota existuje, když vnější tlak hmoty není diktován teplotou, jako na Zemi, ale komplexními kvantovými principy, obvykle principem Pauliho vylučování (více v tom okamžiku). Z tohoto důvodu by vnější tlak degenerované hmoty přetrvával, i kdyby teplota látky klesla na absolutní nulu. Dva hlavní typy degenerovaných látek jsou známé jako elektronové degenerované hmoty a degenerované látky neutronů.

Electron-degenerované hmoty existují především v bílých trpaslících hvězdách. Hmota se tvoří v jádře hvězdy, když se hmotnost látky kolem jádra snaží zkomprimovat elektrony jádra do nejnižšího energetického stavu. Podle principu vyloučení Pauli však žádné dva takové částice nemohou zaujmout stejný energetický stav. Částice tak "tlačí" zpět na materiál kolem jádra a vytvářejí vnější tlak kvůli kvantovým zákonům, které diktují, že všechny elektrony v jádře nemohou existovat v nejnižším energetickém stavu. Toto může přetrvávat pouze tehdy, když hmotnost hvězdy je menší než 1,44násobek hmotnosti Slunce. Když je hvězda nad tímto limitem (známá jako hranice Chandrasekhar), prostě se zhroutí do neutronové hvězdy nebo do černé díry.

Když se hvězda zhroutí, aby se stala neutronovou hvězdou, už nemá elektronově degenerovanou hmotu, ale nyní se skládá z neutronové degenerované hmoty. Protože neutronová hvězda je tak těžká, způsobuje to, že elektrony se spojí s protony v jádru a vytvoří neutrony. Volné neutrony (neutrony nevázané v atomovém jádru) obvykle mají poločas rozpadu 10,3 minut. Ale v jádru neutronové hvězdy, hmota hvězdy umožňuje neutronům existovat mimo jádro, čímž vzniká neutron-degenerovaná hmota.

Mohou existovat i jiné exotické formy degenerované hmoty, včetně podivné hmoty, která by mohla existovat ve vzácné podobě hvězdy nazvané kvarková hvězda. Hvězdy Quark jsou scénou mezi neutronovou hvězdou a černou dírou, kde se kvarky v jádře oddělují a vytvoří polévku volných kvarků. Dosud jsme neviděli tento druh hvězdy, ale fyzici nadále teoretizují jejich existenci.

7Superfluid

Pojďme se vrátit na Zemi, abychom diskutovali o superfluiditě. Superfluid je stav hmoty, který existuje, když určité izotopy helia, rubidia a lithia jsou ochlazeny na téměř absolutní nulu. To je podobné kondenzátu Bose-Einstein (BEC), ale existují malé rozdíly. Některé Bose-Einsteinovy ​​kondenzáty jsou superfluidy a některé superfluidy jsou Bose-Einsteinovy ​​kondenzáty, ale ne každá třída se vejde do druhého.

Nejběžnější superfluid je kapalný hélium. Když se hélium ochladí na "bod lambda" 2,17 stupňů Kelvina, část kapaliny se stává superfluidní. Když je většina látek ochlazena na určitý bod, přitažlivost mezi atomy překoná teplo vibrací v látce, což dovoluje látce vytvořit pevnou strukturu. Ale atomy helia vzájemně komunikují tak slabým způsobem, že mohou zůstat tekutinou až do absolutní nuly. Ve skutečnosti se při této teplotě charakteristiky jednotlivých atomů překrývají a vytvářejí podivné vlastnosti superfluidů.

Pro začátečníky nemá superfluid vnitřní viskozitu. Nadbytečné látky umístěné ve zkumavce se začnou dotýkat stranami trubice, zdánlivě porušením zákonů o gravitaci a povrchovém napětí. Kapalné hélium uniká velmi snadno, protože může unikat mikroskopickým otvorem. Superfluidy také vykazují zvláštní termodynamické vlastnosti. Mají nulovou termodynamickou entropii a jsou nekonečně tepelně vodivé. To znamená, že dvě superfluidní látky nemohou mít teplotní rozdíl. Pokud je teplo zaváděno do superfluidů, bude to tak rychle, že vzniknou tepelné vlny, vlastnost, která neexistuje pro normální kapaliny.

6 kondenzátu Bose-Einstein

Bose-Einsteinovy ​​kondenzáty jsou pravděpodobně jedna z nejznámějších nejasných forem hmoty, ale také jedna z nejtěžších k pochopení. Nejprve musíme pochopit, jaké jsou bosony a fermiony. Fermion je částice s půlčlenným odstřeďováním (jako elektron) nebo složená částice (jako protón). Tyto částice se řídí vylučujícím principem Pauli, který dělá elektronovou degenerovanou hmotu. Bozon má však úplné celočíselné otočení a více bosonů může obsadit stejný kvantový stav. Mezi bosony patří jakákoliv síla nesoucí částice (například fotony), stejně jako některé atomy, včetně našeho přítele helium-4 a dalších plynů. Prvky v této kategorii jsou známé jako bosonické atomy.

Ve 20. letech 20. století Albert Einstein použil práci indiánského fyzika Satyendry Nath Bose, aby navrhl novou formu hmoty. Einsteinova originální teorie byla, kdybyste ochladila určité elementární plyny na zlomek kelvínu nad absolutní nulou, jejich vlnové funkce by se splynovaly, aby se vytvořil jeden "superatom". Taková látka by měla na makroskopické úrovni kvantové účinky. Ale teprve v 90. letech existovala technologie, která dostatečně ochladila prvky na potřebnou teplotu. V roce 1995 výzkumy Eric Cornell a Carl Wieman dokázaly spojit 2 000 atomů do kondenzátu Bose-Einstein, který byl dostatečně velký, aby mohl být pozorován mikroskopem.

Bose-Einsteinovy ​​kondenzáty jsou úzce příbuzné superfluidům, ale mají vlastní jedinečnou sadu vlastností. Nejvíce šokující je to, že BEC může zpomalit světlo z běžné rychlosti 300 000 metrů za sekundu. V roce 1998 dokázal Harvardský badatel Lene Hau zpomalit světlo na pouhých 60 kilometrů za hodinu (37 mph) tím, že vystřelil laser přes vzor cigarety BEC. V pozdějších experimentech byl tým Hau schopen úplně zastavit světlo v BEC vypnutím laseru, když prošel vzorkem. Tyto experimenty otevřely zcela nové oblasti světelné komunikace a kvantové výpočetní techniky.

5Jahn-Tellerovy kovy

Jahn-Tellerovy kovy jsou nejnovějším klukem na bloku hmotných států, přičemž výzkumníci je úspěšně vytvořili poprvé v roce 2015. Pokud to potvrdí jiné laboratoře, experiment může změnit svět, jak ji známe, protože Jahn-Tellerovy kovy mají vlastnosti izolátoru i supravodiče.

Výzkumníci vedeni chemikem Kosmasem Prassidesem experimentovali s použitím molekul uhlíku-60 (hovorově nazývanými buckyballs) a vložením rubidia do struktury, což donutilo molekuly uhlíku-60, aby získaly nový tvar. Kov je pojmenován po efektu Jahn-Teller, který popisuje, jak může tlak změnit geometrický tvar molekul do nových elektronových konfigurací. V chemii není tlak dosažen pouze kompresí, ale může být dosaženo také přidáním nových atomů nebo molekul k již existující struktuře, měnící se její základní vlastnosti.

Když výzkumný tým společnosti Prassides začal vkládat rubidium do molekul uhlíku-60, molekuly uhlíku se změnily z izolátoru na supravodič. Nicméně kvůli účinkům Jahn-Teller se molekuly snažily zůstat ve své staré konfiguraci, což vytvořilo látku, která se zdá být izolátorem, ale má elektrické vlastnosti supravodiče. Přechod mezi izolátorem a supravodičem nebyl nikdy viděn, dokud tyto experimenty nevznikly.

Co je opravdu vzrušující u kovů Jahn-Teller je, že se stanou supravodičem při vysokých teplotách (-135 ° C, oproti -243,2 ° C). Díky tomu se přiblíží ke zvládnutelným úrovním pro hromadnou výrobu a experimentování.Pokud jsou tvrzení správná, jsme mnohem bližší k materiálům vyrábějícím maso, které vedou elektřinu bez odporu - nevytvářejí žádné teplo, zvuk nebo uvolňování energie - čímž se změní výroba a doprava energie.

4Photonic Matter

Po desetiletí byla konvenční moudrost za fotony, že jsou to bezhmotné částice, které mezi sebou vzájemně nereagují. Nicméně v posledních několika letech vědci MIT a Harvarda objevili nové způsoby, jak světlo zdánlivě hromadit - a dokonce vytvořily "lehké molekuly", které se vzájemně odlehčují a spojují. Pokud to zní nudné, zvažte, že je to v podstatě první krok k vytvoření světelného meče.

Věda za fotonickou hmotou je trochu složitá, ale držet se s ní. (Pamatovat, světla.) Výzkumníci začali vytvářet fotonickou hmotu prostřednictvím pokusů s podchlazeným rubidiem plynem. Když je foton procházen plynem, vychyluje a interaguje s molekulami rubidia, ztrácí energii a zpomaluje. Nakonec se foton vynoří z plynového mraku, který se výrazně zpomalil, ale jeho identita byla neporušená.

Věci začnou být divné, když střílíte dva fotony přes plyn, což způsobuje fenomén známý jako Rydbergova blokáda. Když atom atomem vzbuzuje foton, blízké atomy nemohou být stejně vzrušeny. V podstatě se vzrušený atom dostane do cesty fotony. Aby byl obklopující atom excitován druhým fotonem, musí se první foton pohybovat dopředu plynem. Fotony obvykle vzájemně vzájemně nekomunikují, ale když se setkají s Rydbergovou blokádou, tlačí se navzájem plynem, obchodují s energií a vzájemně si vzájemně komunikují. Z vnějšího pohledu se zdá, že tyto fotony mají hmotu a fungují jako jedna molekula, přestože jsou stále bez hmota. Když se fotony vysouvají z plynu, zdá se, že jsou spojeny dohromady, jako kdyby v molekule světla, které lze odvrátit a tvarovat.

Praktické aplikace fotonické hmoty jsou stále daleko, ale výzkumník Mikhail Lukin už má celý seznam možných použití, od výpočetní techniky až po vytvoření krystalů 3-D úplně mimo světlo, a ano, vytváření světla.

3Dizordovaná hyperuniformita

Když se snažíme rozhodnout, zda je látka novým stavem hmoty, vědci zkoumají strukturu látky i její vlastnosti. V roce 2003 navrhli Salvatore Torquato a Frank H. Stillinger z Princetonské univerzity nový stav hmoty známý jako neuspořádaná hyperuniformita. Zatímco to může vypadat jako oxymoron, myšlenka byla, že nový typ hmoty by vypadal neuspořádaně při pohledu až těsně, ale hyperuniformní a strukturovaný na dlouhou vzdálenost. Taková hmota by měla vlastnosti krystalu i kapaliny. Zdálo se, že se to nejprve objevilo pouze v prostých plazmech a v našem kapalném vodíku, avšak nedávno vědci našli přírodní příklad v těch nejnepravděpodobnějších místech: kuřecí oko.

Kuřata mají v očích pět kuželů. Čtyři detekují barvu a jedna detekuje úroveň světla. Nicméně, na rozdíl od lidského oka nebo hexagonálních očí hmyzu, se zdá, že tyto kužely jsou rozptýleny náhodně a bez reálného pořadí. K tomu dochází, protože kužely v kuřecím oku mají kolem nich vymezovací zónu, která neumožňuje dvěma kužely stejného typu sedět vedle sebe. Vzhledem k vyloučení zóny a tvaru kuželů nejsou schopny vytvořit uspořádanou krystalickou strukturu (jako ty, které najdeme v pevných látkách), ale když jsou všechny kužely viděny jako celek, ukazuje se, že mají skutečně vysoce uspořádané vzor, ​​jak je vidět na těchto obrázcích z Princetonu. Proto můžeme kužele v kuřecím oku popsat jako tekutinu, když se díváme blíže a solidní při pohledu z dálky. To je jiné než výše uvedené amorfní pevné látky, protože hyperuniformní materiál bude působit jako kapalina, zatímco amorfní pevná látka nebude.

Vědci stále zkoumají tento nový stav hmoty, který může být ve skutečnosti častější, než se původně předpokládalo. Právě nyní vědci z Princetonu zkoumají použití hyperuniformních materiálů, aby vytvořili vlastní uspořádání struktur a detektory světla zaměřené na velmi specifické vlnové délky.

2String-Net Liquid

Jaký je stav hmoty vakuum vesmíru? Většina lidí tuto otázku příliš nepomyslela, ale v uplynulém desetiletí navrhli MIA Xiao-Gang Wen a Harvard Michael Levin nový stav hmoty, který by mohl držet klíč k objevení základních částic za elektrony.

Cesta k vývoji tekutého modelu string-net byla zahájena v polovině devadesátých let, kdy tým vědců navrhl to, co nazvali "kvazi-částicemi", což se zdálo být v experimentu, kdy elektrony procházely mezi dvěma polovidy. To způsobilo poměrně rozruch, protože kvazitičty působily, jako by měli zlomkovou nálož, něco, co se v té době fyzikální považovalo za nemožné. Tým vzal tyto údaje a navrhl, že elektron nebyl základním částicím vesmíru a že byly ještě více základních částic, které jsme ještě nezjistili. Jejich práce získala Nobelovu cenu, ale později bylo zjištěno, že jejich výsledky byly způsobeny chybou v experimentu. Myšlenka "kvazi-částice" zmizela.

Ale někteří badatelé se zcela nevzdali. Wen a Levin převzali práci na "kvazi-částicích" a navrhli nový stav hmoty známý jako strunová síť. Tento stav hmoty by měl jako základní vlastnost kvantové zapletení. Stejně jako neuspořádaná hyperuniformita, pokud se podíváte na řetězec, která se blíží, zdá se, že má neuspořádaný soubor elektronů.Nicméně při pohledu na celou strukturu byste viděli, že je vysoce uspořádaná kvůli vlastnostem kvantového spletení elektronů. Wen a Levin pak rozšířili svou práci tak, aby zahrnovaly i jiné částice a vlastnosti spletení.

Když byly modely počítačů spuštěny v novém stavu hmoty, Wen a Levin zjistili, že konec síťoviny by mohla produkovat různé subatomové částice, které jsme si zvykli milovat, včetně legendárních, "částicových" částic. "Ještě šokující , zjistili, že když síťové sítě vibrovaly, činily to v souladu s Maxwellovými rovnicemi, které řídí světlo. Ve svých dokumentech Wen a Levin navrhli, že prostor je naplněn řetězovými sítěmi spletených subatomických částic a že konce těchto "strun" jsou subatomické částice, které vidíme. Také navrhli, aby tato čistá síťová kapalina způsobovala světlo. Pokud by vakuum prostoru bylo naplněno čistou kapalinou, umožnilo by to sjednocení hmoty a světla.

To se může zdát velmi daleko, ale v roce 1972 (desetiletí před návrhem strunové sítě) objevili geologové v Čile podivný minerál, známý jako herbertsmithite. V rámci minerálu tvoří elektrony trojúhelníkové struktury, které se zdají být v rozporu s tím, co víme o interakci elektronů. Nicméně, tato trojúhelníková struktura je předpovídán string-net model, a výzkumníci pracovali s umělým herbertsmithite pokusit se ukázat model přesný. Bohužel se porota stále baví o tom, zda skutečně existuje tento teoretický stav hmoty.

1Quark-Gluon Plasma

Pro náš poslední nejasný stav hmoty se podívejme zpátky na stav hmoty, který jsme všichni začali jako: plazma quark-gluon. Ve skutečnosti byl časný vesmír zcela odlišný stav hmoty než naše klasické státy. Ale nejprve trochu pozadí.

Kvarky jsou elementární částice, které najdeme uvnitř hadronů (jako jsou protony a neutrony). Hadrony jsou buď složeny ze tří kvarků nebo jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Kvarky mají částečné náboje a jsou drženy společně gluony, které jsou výměnnými částicemi pro silnou nukleární sílu.

Nevidíme volné kvarky v přírodě, ale hned po Velkém třesku existovaly kvasinky a gluony po dobu milisekund. Během této doby byla teplota vesmíru tak horká, že kvarky a gluony sotva vzájemně ovlivňovaly, když se pohybovaly v blízkosti rychlosti světla. Během této doby se vesmír zcela skládal z této plazmy horkého kvark-gluonu. Po dalším zlomku sekundy by se vesmír dostatečně ochladil, aby se mohly vytvořit těžké částice, jako jsou hadrony, a kvarky začaly interagovat s gluony a navzájem. Od tohoto okamžiku se vesmír, jak ho známe, začal tvořit, s hadrony spojenými s elektrony, aby vytvořili primitivní atomy.

V současné fázi vesmíru se vědci pokoušeli znovu vytvořit kvarkovo-gluonovou plazmu u velkých urychlovačů částic. Během těchto experimentů se těžké částice, jako jsou hadrony, rozbíjejí do sebe, což vytváří teploty, které umožňují krátkodobé oddělení kvarku. Z těchto raných experimentů jsme se již dozvěděli o některých vlastnostech kvarku-gluonové plazmy, která byla zjevně zcela bez tření a blíže ke kapalině než naše normální chápání plazmatu. Jak výzkumníci nadále experimentují s tímto exotickým stavem hmoty, dozvídáme se více a více o tom, jak a proč se náš vesmír tvořil tak, jak to udělal.