Πόσες καταστάσεις ύλης υπάρχουν;
Σε εξαιρετικά υψηλές πιέσεις, ορισμένες ουσίες χάνουν κάθε διάκριση μεταξύ υγρού και αερίου, με αποτέλεσμα να ονομάζεται "υπερκρίσιμο" υγρό. Σε ένα μέταλλο "Jahn-Teller", μια στερεή ουσία έχει όλες τις βασικές ιδιότητες ενός μονωτή, αλλά λειτουργεί ως αγωγός λόγω του μοναδικού κρυσταλλικού σχήματος των στερεών ατόμων.
Καθώς παρακολουθούμε τα μαθήματα επιστήμης στο γυμνάσιο, μαθαίνουμε τα βασικά του φυσικού κόσμου γύρω μας – τη βαρύτητα, τη φωτοσύνθεση, τον καιρό και φυσικά τις καταστάσεις της ύλης.
Όπως θα δηλώσει σχεδόν οποιοσδήποτε έχει περάσει από το δημόσιο σχολικό σύστημα τον περασμένο αιώνα – υπάρχουν τρεις θεμελιώδεις καταστάσεις της ύλης:στερεά, υγρή και αέρια.
Όταν κοιτάμε τον κόσμο γύρω μας, αυτές οι τρεις καταστάσεις μπορούν να καθορίσουν σχεδόν κάθε πράγμα που βλέπουμε, από τη μυρωδιά της γκαζιού και τον καφέ που πίνουμε μέχρι τους μουσώνες και τα βουνά. Ωστόσο, οι δάσκαλοί σας στις Φυσικές Επιστήμες δεν σας έλεγαν όλη την αλήθεια… ούτε καν από κοντά.
Οι δύο "άλλες" κοινές καταστάσεις της ύλης
Ενώ υπάρχουν πράγματι τρεις κυρίαρχες καταστάσεις της ύλης, υπάρχουν και άλλες πολύ λιγότερο κοινές καταστάσεις που δεν τραβούν την προσοχή που δικαιωματικά τους αξίζει. Ας πάρουμε το νερό, για παράδειγμα, με τις τρεις γνωστές του καταστάσεις:Πάγος (στερεό), Νερό (υγρό) και Ατμός (αέριο).
Η διακύμανση των καταστάσεων μεταξύ οποιουδήποτε στερεού, υγρού και αερίου εξαρτάται από τη θερμοκρασία και την πίεση. Όταν αυξάνετε τη θερμοκρασία του νερού, αυτό εξατμίζεται σε ατμό. Όταν χαμηλώσετε τη θερμοκρασία ή αυξήσετε την πίεση στους υδρατμούς, θα συμπυκνωθεί ξανά σε νερό. Όταν ανεβάσετε τη θερμοκρασία του πάγου, γίνεται υγρό. Κατανοούμε αυτές τις βασικές αρχές, αλλά τι συμβαίνει στα άκρα;
Αυτές οι τρεις θεμελιώδεις καταστάσεις της ύλης συμβαίνουν μέσα σε κανονικά εύρη πίεσης και θερμοκρασίας, αλλά όταν θερμαίνεις ένα αέριο σε ακραίες θερμοκρασίες (όπως αυτές που βρίσκονται στον ήλιο ή γύρω από έναν κεραυνό), επιτυγχάνεται μια νέα κατάσταση ύλης:το πλάσμα. Όταν θερμαίνετε το αέριο σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο, μπορείτε να διεγείρετε τα ηλεκτρόνια αρκετά ώστε να διαχωριστούν από τον πυρήνα τους και να αρχίσουν να αλληλεπιδρούν με οποιονδήποτε άλλο πυρήνα που βρίσκεται κοντά. Το αέριο μέσα στις πινακίδες νέον είναι ένα δημοφιλές παράδειγμα πλάσματος.
Twice the Plasma, Twice the Fun (Photo Credit:Ig0rZh / Fotolia)
Στο άλλο άκρο, όταν χαμηλώνετε τη θερμοκρασία μιας ουσίας αρκετά (κοντά στο 0 Kelvin, γνωστό και ως απόλυτο μηδέν), τα μποζόνια αυτής της ουσίας πέφτουν όλα στην ίδια κβαντική κατάσταση, έτσι ώστε να μοιάζουν με ένα μόνο κύμα ή σωματίδιο. Αυτό είναι γνωστό ως συμπύκνωμα Bose-Einstein.
Τώρα φτάσαμε στα πέντε, και μετά βίας έχουμε ξύσει την επιφάνεια. Το πλάσμα εμφανίζεται φυσικά στον κόσμο γύρω μας, ενώ τα συμπυκνώματα Bose-Einstein απαιτούν προσεκτικά επεξεργασμένες εργαστηριακές συνθήκες, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι πρέπει να αγνοηθούν!
Οι ξένες καταστάσεις της ύλης
Τον περασμένο αιώνα περίπου, η ατομική φυσική, οι επιταχυντές σωματιδίων, η κβαντική θεωρία και η συνεχώς βελτιούμενη τεχνολογία έχουν αποκαλύψει πολλές άλλες σύγχρονες καταστάσεις χαμηλής ενέργειας της ύλης. Βρήκαμε υπερρευστά και υπερστερεά , τα οποία είναι κρυογονικά υγρά και ορισμένα στερεά που μπορούν να ρέουν ή να κινούνται χωρίς τριβές σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Έχουμε επίσης εντοπίσει "εκφυλισμένη ύλη", που συνήθως βρίσκεται στο κέντρο των άστρων, όπου πρωτόνια και ηλεκτρόνια συνδέονται σε πυρήνες νετρονίων ή όπου τα ηλεκτρόνια μπορούν να μοιραστούν μεταξύ διαφορετικών ατόμων.
Σε εξαιρετικά υψηλές πιέσεις, ορισμένες ουσίες χάνουν κάθε διάκριση μεταξύ υγρού και αερίου, με αποτέλεσμα να ονομάζεται «υπερκρίσιμο» υγρό. Σε ένα μέταλλο "Jahn-Teller", μια στερεή ουσία έχει όλες τις βασικές ιδιότητες ενός μονωτή, αλλά λειτουργεί ως αγωγός λόγω του μοναδικού κρυσταλλικού σχήματος των στερεών ατόμων.
Όταν συζητάμε για καταστάσεις υψηλής ενέργειας της ύλης, η πιο πολυσυζητημένη μορφή είναι το πλάσμα κουάρκ-γλουονίων, η οποία είναι η κατάσταση της ύλης που υποτίθεται ότι υπήρχε τις στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις του σύμπαντος ενώθηκαν στην πραγματικότητα σε μία. δύναμη, πριν η θερμοκρασία και η πίεση μειωθούν και τα αφήσουν να διαχωριστούν. Το πλάσμα κουάρκ-γλουονίου (QGP) θεωρείται ότι συμπεριφέρθηκε ως αέριο, αλλά σε πρόσφατα πειράματα επιταχυντή σωματιδίων, δημιουργήθηκε κάτι πολύ παρόμοιο με το QGP που αντ' αυτού συμπεριφερόταν σαν ένα «τέλειο υγρό», που σημαίνει ότι η ουσία κινούνταν με συντονισμένο μοτίβο. σχεδόν σαν ένα κοπάδι πουλιών.
Μόλις τον περασμένο μήνα, οι ερευνητές μπόρεσαν επιτέλους να δημιουργήσουν τις προϋποθέσεις για να εξερευνήσουν μια θεωρία που έγινε σχεδόν πριν από έναν αιώνα. Θεωρείται ότι ο πυρήνας των μεγαλύτερων σωμάτων του ηλιακού μας συστήματος (του Ήλιου και του Δία) αποτελείται από μια μοναδική μορφή υδρογόνου που μπορεί να υπάρχει μόνο σε εξαιρετικά υψηλές πιέσεις. Αυτή η «μεταλλική» μορφή υδρογόνου δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ, γιατί θα απαιτούσε πίεση σχεδόν 3 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την ατμοσφαιρική μας πίεση στη Γη.
Ωστόσο, οι επιστήμονες κατάφεραν τελικά να προσεγγίσουν αυτές τις συνθήκες υψηλής πίεσης συμπιέζοντας μόρια υδρογόνου ανάμεσα σε διαμάντια. Ήταν ενθουσιασμένοι που παρατήρησαν μερική ατομικές και μεταλλικές καταστάσεις του υδρογόνου, όπου τα μόρια άρχισαν να διασπώνται σε συστατικά άτομα και τα ηλεκτρόνια άρχισαν να συμπεριφέρονται όπως θα έκαναν σε ένα μέταλλο.
Αυτού του είδους οι εξελίξεις και τα πειράματα δεν είναι πιθανό να επιβραδυνθούν σύντομα, επειδή η τεχνολογία και η ικανότητα χειρισμού των φυσικών πτυχών του σύμπαντος γίνονται πιο εφικτές. Οι θεωρίες τελικά εκδηλώνονται σε ευρήματα, γεγονός που οδηγεί την έρευνα ακόμη περισσότερο σε περίεργους συνδυασμούς συνθηκών.
Αν και μια λεπτομερής εξήγηση κάθε νέας κατάστασης της ύλης ξεφεύγει από το πεδίο εφαρμογής αυτού του άρθρου, αρκεί να πούμε ότι επί του παρόντος (και αυτό θα μπορούσε να αλλάξει ανά πάσα στιγμή), υπάρχουν 4 κλασικές καταστάσεις της ύλης (στερεό, υγρό, αέριο και πλάσμα που απαντώνται φυσικά) και μια ντουζίνα μη κλασικές καταστάσεις που απαιτούν την τήρηση τεχνητών συνθηκών.
Από την πιο ασήμαντη κβαντική κλίμακα μέχρι τους τεράστιους πυρήνες των διαστρικών γιγάντων αερίων, οι πολλές καταστάσεις της ύλης είναι διαφορετικές, παράξενες και συναρπαστικές πτυχές του φυσικού κόσμου που μπορεί απλώς να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε τη Ζωή, το Σύμπαν και τα πάντα.
