Сколько состояний у материи?

[Светлана]

Сколько состояний у материи?

В школе на уроках физики учителя с разной степенью убедительности рассказывают детям о твердых телах, жидкостях и газах – агрегатных состояниях вещества, в которых может находиться химический элемент или соединение. Здесь все зависит от прочности внутренних связей. Если они крепки, мы имеем дело с твердым телом. При нагреве они разрушаются, и составляющие материал частицы начинают свободно скользить друг вокруг друга – это уже жидкость. Добавив жару, мы можем разорвать оставшиеся связи и получим газ. Более продвинутые в области физики личности знают, что при дальнейшем нагнетании температуры мы заставим электроны покинуть атомы, утратив все молекулярные связи. Что в результате? Плазма.

Но это только состояния, в которых могут находиться атомы и молекулы того или иного вещества. Кварки, образующие протоны и нейтроны - это тоже материя. В каком состоянии пребывают они? Зависит ли оно от агрегатного состояния частиц, которые они образуют? А как быть с песком или стеклом, свойства коих отличаются от таковых у составляющих их частиц? Не будем забывать и о постоянно звучащих в научно-популярных СМИ сообщениях об обнаружении новых воплощений вещества. Речь, в частности, идет о кристаллах времени. Сегодня мы попытаемся определить, что на самом деле является состоянием материи.

В случае с основными агрегатными состояниями вещества – твердым, жидким и газообразным, а также примкнувшей к ним плазмой легко увидеть простую закономерность. Изменение температуры приводит к смене состояния или фазы. Эти сдвиги происходят при специфичной для каждого материала температуре. Лед трансформируется в воду при нуле градусов по Цельсию, а та становится паром при ста. Ионизация в плазму происходит через несколько тысяч градусов. Но, естественно, в действительности все совсем не так просто. Температуры фазового перехода зависят также от давления. Вода замерзает и вскипает при более низкой температуре на вершине горы, где давление воздуха ниже. Это уже двухмерная зависимость, которая отражается соответствующей фазовой диаграммой.

На этом графике просматриваются скрытые состояния материи. Например, если температура или давление выше критической точки, граница между газом и жидкостью размывается, и мы получаем сверхкритическую жидкость, обладающую свойствами и того, и другого. Значения температуры и давления на фазовой диаграмме отражают статистические свойства большого скопления частиц. У одинокой молекулы воды на самом деле нет температуры. В данном случае мы можем говорить только о скорости. Температура – это усредненное значение энергии движения всех молекул воды. Состояние материи определяет, как эти усредненные свойства соотносятся друг с другом. Это ничто иное как «уравнение состояния». Так, например, в идеальном газе давление пропорционально температуре и обратно пропорционально плотности. Разные состояния материи имеют разные уравнения состояния. Область физики, изучающая взаимосвязи между статистическими свойствами различных состояний вещества, называется термодинамикой.

Однако состояние материи не только определяет термодинамические свойства и, в свою очередь, определяется ими. Субъективные качества, как, например, «влажность» воды – это эмерджентное (возникающее) свойство данного состояния материи, то есть такое, каким не обладают молекулы изначальной H20. И обычно именно нетермодинамические свойства формально отличают одно состояние от другого. Так, допустим, твердые тела жесткие и обладают практически бесконечной вязкостью. Жидкости вязкие и несжимаемые. Газы сжимаемы и способны равномерно заполнять собой контейнер любого размера. Таким образом, мы называем состоянием материи то, что обладает достаточно уникальным набором эмерджентных свойств. Это, например, чрезвычайно низкое электрическое сопротивление у сверхпроводника или почти полное отсутствие вязкости у сверхтекучей жидкости.

Итак, состояние материи – это эмерджентное поведение, обусловленное взаимодействием компонентов в определенных условиях. Означает ли это, что различные состояния материи могут возникать в результате поведения частичек, не являющихся атомами? Да. Начнем поиск таковых в уже обозначенном направлении. Что произойдет, если увеличить температуру плазмы? Последняя состоит из элементарных электронов, однако атомные ядра представляют собой пучки нуклонов - протонов и нейтронов.

Даже в водородной плазме одиночные протоны представляют собой скопления кварков. Повысив температуру, мы можем разорвать не только атомы, как описано выше, но и нуклоны. Из-за чрезвычайно сильной связи последних указанный параметр должен быть очень большим - около 7 триллионов градусов по Цельсию. Это так называемая «температура Хагедорна» – обеспечив её, мы получим кварк-глюонную плазму, которая тоже считается состоянием материи. Если вы предположите, что составляющие её частицы более свободны по отношению друг к другу, чем в обычной плазме, то ошибетесь. Сила взаимодействия между глюонами и кварками продолжает оставаться очень сильной, и эта плазма ведет себя почти как жидкость.

Компьютерная модель кварк-глюонной плазмы

Эта плазма производится сегодня в ускорителях частиц и получаемое количество поистине ничтожно – всякий раз это результат столкновения всего лишь двух нуклонов. Однако на заре существования Вселенной в этом состоянии находилось все в то время сущее. Похоже на то, что нечто подобное может быть истинно и для ядер массивных нейтронных звезд.

Как уже сказано, кварк-глюонная плазма похожа на жидкость. Означает ли это, что она может замерзнуть? Вполне. Только в этом случае она «слипнется» в нуклоны. Если говорить более обобщенно, то в адроны: протоны, нейтроны и другие, более экзотические комбинации кварков. Адрон – это буквально кристалл кварк-глюонной плазмы, то есть вещество в его «твердой» форме. Так что мы вполне можем сделать вывод, что состоим из «кваркового» льда или снега. Эту аналогию можно продолжить: процесс создания кварк-глюонной плазмы подобен сталкиванию двух снежков посреди бескрайних просторов Арктики в надежде получить несколько капель воды, которые практически сразу снова замерзают. Вещество, из которого состоят кварки, называется кварковой или КХД-материей, и изучается в рамках квантовой хромодинамики – физики кварковых и глюонных взаимодействий.

[Светлана]

Убедиться в том, что кварковая материя имеет собственные состояния, можно на её фазовой диаграмме. В данном случае мы имеем дело с соотношением температуры и барионного потенциала, который определяет, какое количество энергии могут поглотить или выделить кварки. Кварк-глюонная плазма соответствует газу у «атомной материи», несмотря на то, что ведет себя как жидкость. Адроны, как уже заявлено, это аналог твердого тела. Чтобы понять, что находится в правой части этой диаграммы, можно «окунуться» в глубины нейтронной звезды. Здесь отдельные кварковые «кристаллы» сначала сливаются в жидкость из нейтронов, которая называется нейтронием, а затем эти частицы растворяются, в результате чего мы получаем очень странные формы напоминающей жидкость кварковой материи.

Привычные для нас состояния материи можно объяснить взаимодействием частиц при приложении сил, описывающихся в классической физике. Но подключение к этой картине квантовой механики делает возможными самые экзотические состояния. В вырожденной материи, а это и нейтроний, и конденсаты Бозе-Эйнштейна, все квантовые состояния заняты, что приводит к возникновению таких эмерджентных свойств, как сверхпроводимость и сверхтекучесть.

В завершение рассказа о квантовых состояниях материи упомянем так называемые «кристаллы времени», разговоры о которых пошли совсем недавно. Это некие конфигурации запутанных частиц, которые перескакивают между состояниями, даже не обладая энергией. В классической термодинамике минимум энергии соответствует абсолютному температурному нулю, когда останавливается всяческое движение частиц. Однако у кристалла времени перемещения не прекращаются, благодаря чему они с точки зрения термодинамики отличаются от других состояний материи и образуют собственное.

Как видим, мы имеем дело с состоянием материи, а не атомов, её образующих. У субатомных частиц имеются собственные состояния. Два отдельных способны существовать одновременно, но в разном масштабе. Так, например, жидкая вода содержит множество крошечных кусочков «замороженного» твердого ядерного материала. Различные состояния материи могут, фигурально выражаясь, быть вложены друг в друга. Но если это верно для субатомных состояний, находящихся внутри атомных, почему бы не рассмотреть те, которые образованы более крупными компонентами, чем элементарные частицы? Например, песок.

Песчинки состоят из твердого вещества, но прогнав через них воздух можно изменить принцип их взаимодействия друг с другом, и они начнут вести себя как жидкость. Самые легкие частички поднимутся со «дна» наверх, что никак не может случиться с твердым телом. Если включить воображение, то можно сравнить с песчинками, например, людей. И мы увидим, что поведение человеческих существ иногда пугающе напоминает те или иные состояния материи. На большой, но немноголюдной городской площади они будут спокойно перемещаться куда угодно, без проблем обходя себе подобных. Это, конечно же, прямая аналогия с газом.

Если увеличить плотность людей примерно до 5 на квадратный метр, произойдет фазовый переход. Они начнут вести себя как жидкость. Частые взаимодействия между индивидами будут порождать потоки и волны, поскольку они потеряют автономность своего движения. Все это может привести к давке, которая часто заканчивается самым печальным образом. К счастью, здесь на помощь могут прийти законы физики. Используя то, что известно о поведении газов и жидкостей, можно легко определить приближение трагедии и избежать ее, изменив «термодинамические свойства» толпы. Например, постараться уменьшить плотность, если она опасно близка к фазовому переходу.

Параллели не ограничиваются людьми. Астрофизики в своих компьютерных симуляциях обычно представляют отдельные галактики как жидкость, состоящую из звезд, в которой взаимодействия носят не электромагнитный, а гравитационный характер. Если вспомнить все вышесказанное, у нас получается интереснейшая ситуация. Галактики - это жидкость из звезд, состоящих из водородной плазмы, образованной из замороженных кварков. Итак, песок, человеческая толпа и галактики демонстрируют поведение, напоминающее состояния материи. Но действительно ли они являются ими? Формально, конечно же, нет, однако на самом деле это просто условность. Концепция «состояний материи» позволяет нам понять многие виды взаимодействий, в том числе и между макроскопическими «частицами».

Американский астроном Макс Тегмарк вообще предположил, что как состояние материи можно воспринимать человеческое сознание, которое, если задуматься, представляет собой эмерджентное свойство информационной системы. Аналогами температуры, давления и т.д. фазовой диаграммы здесь являются такие параметры, как память, способность к вычислениям и информационная интеграция. Некие их комбинации приводят к появлению таких эмерджентных свойств, как, например, самосознание. Представление о разуме как о состоянии материи позволяет использовать квантовую механику или физику конденсированных состояний для понимания того, почему мы видим мир в том или ином свете.

Как видим, состояние материи – это довольно скользкое определение. Оно превосходно работает с общими, классическими состояниями, но размывается «на границах» или при «экзотических» условиях. Несмотря на это, данная концепция чрезвычайно полезна для понимания физических систем – от момента Большого взрыва до поведения толпы и, возможно, природы человеческого разума.

https://zen.yandex.ru/media/mlechpyt/sk ... 232002a87a?&