В обычной жизни мы наблюдаем три агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Выделяют еще и четвертое состояние — плазматическое. Но на самом деле форм существования материи гораздо больше, для них лишь нужны специальные условия. Рассказываем, как сделать вырожденное вещество и привести материю в состояние сверхтекучести.

Кварк-глюонная плазма

Спустя миллионные доли секунды после Большого взрыва Вселенная представляла собой необычайно горячую и плотную плазму из кварков и глюонов: ни атомных ядер, ни барионов, ни других частиц не существовало. По мере остывания Вселенной кварки и глюоны слипались, образовывая мезоны и барионы, из которых состоит обычное, или барионное, вещество — в физике этот процесс называется freeze out, или вымерзание. Закрепившееся исторически название «кварк-глюонная плазма» описывает это состояние материи не совсем точно: горячее плотное вещество по своим свойствам напоминает скорее идеальную жидкость, чем ионизированный газ.

Получить кварк-глюонную плазму можно путем столкновения двух тяжелых ионов, летящих навстречу друг другу на околосветовых скоростях. Это состояние исследовали на коллайдере RHIC в США, а также на Большом адронном коллайдере в Швейцарии.

Об исследованиях кварк-глюонной плазмы

Конденсат Бозе — Эйнштейна

Это особое состояние газа, в котором множество составляющих ее частиц (бозонов, которыми могут быть как атомы, так и отдельные частицы), охлажденных до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли кельвина), находятся в одном квантовом состоянии. Это более чем в миллион раз низкая температура, чем у межзвездного пространства. Все частицы в конденсате Бозе — Эйнштейна двигаются согласованно, как одна большая квантовая волна. Фаза была предсказана Альбертом Эйнштейном в 1925 году на основе работ индийского физика Бозе.

Рекомендуем по этой теме:
75856
Физика элементарных частиц

Согласно принципу Паули, два фермиона не могут пребывать в одном квантовом состоянии. Однако получить подобный конденсат из фермионов возможно: для этого необходимо соединить эти частицы в пары. Получатся композитные бозоны, которые могут сформировать сверхжидкость в виде конденсата Бозе — Эйнштейна.

Нобелевский лауреат по физике Вольфганг Кеттерле о сверхтекучести ультрахолодной материи

Вырожденное вещество

Под чрезвычайно высоким давлением, какое бывает в недрах мертвых звезд, обычная материя переходит в ряд экзотических состояний, известных под общим названием «вырожденное вещество». Чаще всего под вырожденным веществом подразумевается идеальный ферми-газ, состоящий из невзаимодействующих фермионов. Идея вырожденного газа объясняет, почему белые карлики — звезды с очень маленьким радиусом и высокой плотностью — не сжимаются под действием собственной тяжести. Вырожденный газ поддерживается принципом исключения Паули, который не позволяет двум фермионам занимать одно и то же квантовое состояние. Чтобы занять свободное состояние, каждый следующий электрон увеличивает свою кинетическую энергию, поэтому импульсы большинства электронов в вырожденном газе определяются их плотностью, а не температурой, как в обычном газе. Чем выше импульсы, тем выше создаваемое электронами давление, которое удерживает белый карлик от коллапса. При превышении некоторой предельной массы давление вырожденных электронов уже не может противостоять гравитации. Максимально возможная масса белого карлика, называемая пределом Чандрасекара, примерно в полтора раза больше массы Солнца. Если масса звезды превышает этот предел, то большинство электронов и протонов буквально вдавливаются друг в друга и образуют нейтроны — и это уже будет нейтронная звезда. Если же звезда еще массивнее, то она коллапсирует в черную дыру.

Александр Потехин о вырожденном газе и кварковых и нейтронных звездах

Сверхтекучее твердое тело (суперсолид)

Термин supersolid обозначает не нечто «сверхтвердое» или «сверхпрочное», как можно предположить. Это соединение слов superfluid («сверхтекучий») и solid («твердый») — иными словами, сверхтекучее твердое тело. Такое странное понятие обозначает состояние ультрахолодной материи, в котором сверхтекучесть ― отсутствие внутреннего трения, характерное для некоторых жидкостей, — проявляется одновременно с кристаллическим порядком расположения атомов твердого тела. В 2017 году удалось получить суперсолид при помощи конденсата Бозе — Эйнштейна (рубидия и натрия).

Как получить суперсолид

Сверхкритический флюид

Обычно при повышении температуры жидкость превращается в газ, но если вместе с температурой повышать давление, то после критической точки она перейдет в сверхкритическое состояние, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой. У такой жидкости высокая плотность и низкая вязкость: они могут как проходить сквозь твердые тела, как газ, так и действовать в качестве растворителя, как жидкость. Сверхкритическая жидкость используется при добыче нефти: она закачивается в пласт породы, в котором при нагревании твердое органическое вещество преобразуется в жидкие углеводороды.

Рекомендуем по этой теме:
3506
Сверхтекучая турбуленция
Физик Алексей Черемисин о перспективных технологиях извлечения нефти

Темная материя

В 1930-е годы астроном Фриц Цвикки обнаружил, что во Вселенной существует скрытая масса: скопление галактик, за которым он наблюдал, по всем параметрам выглядело завершенным, но ему не хватало массы. Цвикки предположил, что существует какая-то невидимая материя, на которую и приходится недостающая масса. Коллеги долгое время не верили астроному, считая, что он ошибся в расчетах, но в 1970-х годах появились новые открытия, и существование темной материи уже было невозможно отрицать.

Темная материя не излучает и не поглощает свет, то есть не участвует в электромагнитном взаимодействии, в отличие от видимого, или барионного, вещества. Зато она участвует в гравитационном взаимодействии. Скорее всего, эта форма вещества состоит из пока неизвестных науке частиц. По данным измерений космической миссии Planck, Вселенная на 26% состоит из темной материи, распределенной неравномерно, а еще 69% приходится на темную энергию.

Что (не)известно о темной материи