Колко агрегатни състояния на материята има и какви са те

В училище сме учили, че има три (може би четири) агрегатни състояния на материята. Но тъй като разбирането ни за Вселената се е разширил оттогава, сега осъзнаваме, че материята може да се организира по повече начини. Въпреки че все още има разногласия относно това колко точно са, досега над 15 или са демонстрирани в лабораторията, или са подкрепени с достатъчно косвени доказателства.

Агрегатните състояния и преходите между тях

Какво е състояние на материята?

Състояние на материята е, когато определено количество вещество има химични и физични свойства, които са еднакви за целия му обем. Възможно е това вещество да премине от едно състояние в друго чрез т. нар. фазов преход – топенето на кубче лед, например, е прост фазов преход.

Класически състояния на материята: твърдо, течно, газообразно, плазмено

При класическите състояния на материята имаме твърдо, течно, газообразно и плазмено състояние. Те се наблюдават при нормални условия в ежедневието и се определят по отношение на обема, формата и общото свойство на дадено вещество. Твърдото вещество има форма и обем, а съставните му частици са плътно една в друга. В течностите частиците имат по-слаби сили помежду им и затова имат (предимно) постоянен обем, но приемат формата на съда, в който са.

Газът и плазмата нямат нито фиксирана форма, нито обем. Разликата е, че плазмата е електропроводима, произвежда електрически ток и реагира силно на електромагнитни сили. И докато всички сме запознати с газовете, плазмата всъщност е също толкова често срещана и се вижда в светкавици, искри, флуоресцентни светлини, звезди и понякога в пламъци.

Без да навлизаме много във физиката виждаме, че тези четири състояния може да не са изчерпателен списък на всички състояния. И твърдите вещества, и течностите имат подкатегории и някои от тях изглежда пресичат конкретните определения, които сме им дали. Течните кристали и течното стъкло са сред тези странни състояния, но не са единствените.

„В ежедневието всички наблюдаваме поне три състояния на материята: твърдо, течно и газообразно. Но дори и в тези рамки, природата може да ни измами“, казва д-р Гийом Натаф от катедрата по материалознание и металургия на университета Кеймбридж.

„Например, лауреатите на Иг-Нобел Джон Мейнстоун и Томас Парнел извършват един дългосрочен експеримент, който измерва потока на парче битум в продължение на много години, показвайки, че дори при стайна температура битумът тече и следователно е течност. Има и много други интригуващи примери.“

Петото състояние на материята

Така нареченото пето състояние на материята се нарича още Кондензацията на Бозе-Айнщайн и се случва само в много разреден газ от частици, известни като бозони, и когато температурата е близка до абсолютната нула.

При тези условия целият газ спира да се държи като съставен от отделни частици и вместо това се държи като единна макроскопична квантова система. Получава се само в среда с изключително ниска плътност (сто хилядна от плътността на въздуха) и свръхниски температури (съвсем малко над абсолютната нула). При тези условия ефектите на квантовата механика започват да доминират и започваме да наблюдаваме особени състояния.

Свръхфлуиди, свръхтвърди тела и свръхпроводници

При преждеспоменатите ултраниски температури, ние също можем да видим и суперфлуиди – второ течно състояние, при което веществото може да тече без триене. Едно от най-любопитните последствия от това състояние е, че свръхфлуидите са способни да излязат от контейнерите, в които са поставени.

Можете също така да имаме свръхтвърди тела – които се движат без триене. И свръхпроводници – които имат нулево електрическо съпротивление под определена температура. Има и полярони на Ридберг, където е възможно да има атоми вътре в други атоми.

Изображение на звездите Сириус А и Сириус Б, направено от космическия телескоп Хъбъл. Сириус B, която е бяло джудже, може да се види като слаба светлинна точка в долния ляв ъгъл на много по-яркия Сириус A

Под напрежение

От другата страна на скалата при високи температури, започваме със свръхкритични флуиди – когато е толкова горещо и налягането е толкова високо, че е невъзможно да се различи дали даден флуид е газ или течност. Увеличавайки значително налягането, стигаме до сърцевината на белите джуджета (вид звезди), където електроните са в изродена газова форма (много много плътно състояние на материята), която е перфектен топлопроводник и се държи като твърдо тяло.

С увеличаването на налягането върху материята, достигаме до неутронно изродена материя, която се наблюдава само в неутронните звезди. Там протоните и електроните са толкова плътно един до друг, че се превръщат в неутрони поради бета-разпад. Отвъд това състояние има кварк-глуонна плазма, когато дори градивните елементи на частиците вече не са ограничени в тесни конфигурации.

Физика на кондензираната материя

Област, която е била особено плодотворна в откриването на нови агрегатни състояния, е физиката на кондензираната материя – твърда или течна. Някои от тези състояния могат да бъдат намерени в свръхпроводници и са съставени от квазичастици – които се държат като частици, без да са такива. Екситонът и дроплетонът се появяват по подобен начин – като електроните формират връзка с положително заредена „дупка“, където трябва да бъде електронът. Екситонът се държи малко като обикновен атом, докато дроплетонът всъщност е първата квазичастица, която показва подобно на течност поведение.

Но какво представлява ново състояние на материята?

Квантовите свойства могат да бъдат от решаващо значение за разпознаване на състоянията на материята. Начинът, по който взаимодействат неща като въртенето на частиците, може да доведе до различни състояния, като например т. нар. квантова спинова течност или спинов лед. Така че не е изненадващо, че изследователите откриват нови и нови конфигурации.

Има също така много дискусии за това какво представлява ново състояние на материята и дали особени квантови конфигурации в обикновено твърдо вещество, например, трябва да се считат за състояния или не. Това е интригуващ дебат и прави трудно да се даде ясен отговор на въпроса колко агрегатни състояния има.

„Обикновено се твърди, че за да разберем материята, е необходимо да имаме точна дефиниция на нейните различни състояния“, казва д-р Натаф. „Въпреки това, да знаем дали нещо принадлежи към ново състояние на материята или не, не помага задължително при разбирането на нови фундаментални концепции или намирането на приложения за тях. Затова вярвам, че напредъкът може да бъде постигнат независимо от системите за класификация.“

В близко бъдеще със сигурност ще бъдат открити още нови състояния и може би ще бъдат отключени някои вълнуващи нови приложения от тези, с които вече сме запознати.