Состояния вещества: за пределами школьных учебников

Ключевые тезисы:

Стекло — аморфное тело, а не твёрдое вещество в классическом понимании.
Плазма — доминирующее состояние вещества во Вселенной, а не экзотика.
Жидкие кристаллы — промежуточное состояние между твёрдым и жидким, основа современных экранов.
Аэрогель — твёрдое тело, состоящее почти целиком из воздуха.
Сверхтекучесть и конденсат Бозе–Эйнштейна — квантовые состояния при экстремально низких температурах.
Квазикристаллы — упорядоченные структуры с «запрещённой» симметрией, переписавшие определение кристалла.
Кристаллы времени — структуры с периодичностью во времени, а не в пространстве.
В экстремальных условиях (давление, температура) вещество проявляет удивительные и неожиданные свойства.
Научные открытия часто совершаются вопреки устоявшимся «запретам» и уверенности в полном знании.
Подавляющее большинство необычных состояний материи окружает нас в повседневной жизни.
Двигают науку вперёд не гении, а любопытные люди, не готовые оставить непонятное без внимания.

Стекло: застывший беспорядок

Миф о текущих витражах — красивая, но ложная легенда. Расчёты показывают, что стекло не могло «стечь» за время существования Вселенной. Неровности в старинных витражах — результат технологии изготовления.

Что такое стекло на самом деле?

Аморфное тело — атомы застыли в хаотичном порядке, характерном для жидкости, но вещество обладает твёрдостью.
Не является ни классическим твёрдым телом (нет кристаллической решётки), ни жидкостью.
Процесс стеклования остаётся одной из нерешённых проблем физики твёрдого тела.

Примеры стекла в природе и технике:

Обсидиан — природное вулканическое стекло.
Закалённое стекло (в авто, душевых кабинах) — создаётся контролируемым напряжением.
Оптоволокно — «нервная система» планеты, передающая данные светом.

Плазма: четвёртое состояние, правящее космосом

Что такое плазма?

Ионизированный газ, где атомы лишены электронов.
Проводит ток, светится, управляется магнитными полями.

Где встречается?

Звёзды (включая Солнце), межзвёздное вещество — почти вся видимая Вселенная.
На Земле: пламя (верхняя часть), молнии, неоновые вывески, северное сияние.
Ионосфера — плазменный слой, отражающий радиоволны и обеспечивающую дальнюю связь.

Практическое применение:

Плазменные резаки и сварка.
Плазменное травление при производстве микропроцессоров.
Установки термоядерного синтеза (удержание вещества магнитным полем).
Кинескопы старых телевизоров — прямые потомки «трубки Крукса».

Жидкие кристаллы: вещество с дисциплиной

Открытие: В 1888 году ботаник Фридрих Райницер обнаружил у холестерина из моркови две точки плавления и мутную фазу. Физик Отто Леман рассмотрел в ней «текучие кристаллы».

Суть: Молекулы имеют порядок в ориентации, но беспорядок в расположении (как спички в куче, смотрящие в одну сторону).

Применение:

Экраны LCD — работают как миллионы микроскопических «жалюзи», управляемых электрическим полем.
Паутина — белковый раствор в железе паука имеет жидкокристаллическую фазу.
Термополоски (мягкие градусники) — меняют цвет в зависимости от температуры.

Аэрогель: твёрдый дым

Создание: Сэмюэл Кистлер (1931) заменил жидкость в желе на воздух, минуя границу жидкость-газ, чтобы не разрушить каркас.

Свойства:

Твёрдое тело, состоящее на 99,8% из воздуха.
Рекордно низкая теплопроводность (цветок не горит на раскалённой пластине).
Хрупкий, но лёгкий.

Использование:

Миссия «Звёздная пыль» (1999–2006) — ловушка для кометной и межзвёздной пыли (нашли аминокислоту глицин).
Утепление марсоходов, трубопроводов, зимней одежды.

Неньютоновские жидкости: характер по настроению

Объяснение: Поведение зависит от скорости воздействия.

Облек (кукурузный крахмал + вода): При резком ударе ведёт себя как твёрдое тело, при медленном воздействии — как жидкость. По нему можно бежать.
Кетчуп/зыбучие пески: При покое — густые, при встряске — разжижаются.

Применение: Пропитка для гибкой брони (твердеет при ударе).

Переохлаждённая вода и «твёрдая» смола

Переохлаждённая вода:

Может оставаться жидкой ниже 0°C без центра кристаллизации.
При ударе мгновенно замерзает (эффектный опыт).
Ледяной дождь и обледенение самолётов — опасные природные явления, вызванные этим эффектом.

Опыт с каплями смолы (пеком):

Смола — очень вязкая жидкость (в 100 млрд раз гуще воды).
Самый долгий лабораторный эксперимент (с 1927 г.): капли падают раз в 8–12 лет. Показывает, что твёрдость зависит от временного масштаба наблюдения.

Квантовые состояния: холоднее космоса

Сверхтекучесть (открыта в 1938 г.):

Жидкий гелий ниже 2,17 K течёт без трения.
Свойства: не вращается как обычная жидкость (образует квантованные вихри), уползает из открытых сосудов по стенкам, обладает гигантской теплопроводностью (кипение прекращается мгновенно).
Используется для охлаждения магнитов Большого адронного коллайдера.

Конденсат Бозе–Эйнштейна (получен в 1995 г.):

Атомы при сверхнизких температурах теряют индивидуальность и ведут себя как одна квантовая волна («поют в унисон»).
Изучается на МКС (в невесомости облако живёт дольше).
Свет можно остановить и сохранить в таком конденсате (основа для квантовой памяти).

Сверхтвёрдое тело (получено в 2017 г.):

Обладает кристаллической решёткой, но может течь без трения сквозь само себя.

Экстремальные состояния: жар и давление

Сверхкритический флюид:

Вещество выше критической точки температуры и давления, где исчезает граница между жидкостью и газом.
Обладает свойствами обоих: растворяет как жидкость, проникает как газ.
Применение: декофеинизация кофе, химчистка, извлечение специй.

Металлический водород:

Теоретическое состояние водорода под чудовищным давлением, где он становится проводящим металлом.
Вероятно, существует в недрах Юпитера.
Цель исследований — потенциальный сверхпроводник при комнатной температуре и суперэффективное ракетное топливо.

Сверхпроводящий и сверхионный лёд:

При высоком давлении вода образует десятки форм льда.
Лёд XVIII («горячий чёрный лёд»): кислород образует решётку, а водород течёт сквозь неё как жидкость. Вероятно, из такого льда состоят мантии Урана и Нептуна.

Кварк-глюонная плазма:

Самое горячее состояние вещества (в 250 000 раз горячее центра Солнца), создаваемое в ускорителях.
Существовало в первые мгновения после Большого взрыва.
Является идеальной жидкостью с минимальной вязкостью, что неожиданно роднит её с конденсатом Бозе–Эйнштейна.

Квазикристаллы: запрещённая симметрия

Открытие: В 1982 году Даниэль Шехтман обнаружил в сплаве алюминия и марганца структуру с пятикратной симметрией, что считалось невозможным в кристаллографии. Открытие было встречено скептически, но в итоге переписало определение кристалла и принесло Шехтману Нобелевскую премию в 2011 году.

Суть: Квазикристаллы имеют упорядоченную, но непериодическую структуру, напоминающую мозаики Пенроуза. Они обладают «запрещённой» симметрией вращения.

Кристаллы времени и фотонные молекулы

Кристаллы времени (2021 г.):

Структуры, которые периодически повторяются во времени, а не в пространстве.
Не вечный двигатель, но система, устойчивая к помехам. Перспективны для квантовых вычислений.

Фотонные молекулы (2013 г.):

В особой среде (холодные атомы рубидия) фотоны начинают взаимодействовать, как частицы с массой, и могут связываться в «молекулы».
Физика напоминает световые мечи из фантастики.

Открытие нейтронных звёзд и рождение элементов

Открытие нейтронных звёзд:

В 1967 году аспирантка Джоселин Белл обнаружила странные периодические радиосигналы из космоса, которые сначала в шутку приписали «маленьким зелёным человечкам».
Источником сигналов оказались нейтронные звёзды — остатки массивных звёзд после взрыва сверхновой.
Нейтронная звезда — это шар размером с город, но массой больше Солнца, состоящий из нейтронов, упакованных вплотную. Чайная ложка такого вещества весит около миллиарда тонн.
Кора нейтронной звезды содержит «ядерную пасту» — вещество, смоделированное в виде спагетти, лазаньи или ньокки, которое считается самым прочным веществом во Вселенной.

Рождение тяжёлых элементов:

17 августа 2017 года было зафиксировано столкновение двух нейтронных звёзд (килоновая).
В результате этого катаклизма, в выброшенном веществе за секунды образовались тяжёлые элементы: золото, платина, уран.
Атомы золота в обручальном кольце прошли путь от столкновения мёртвых звёзд через межзвёздное облако и формирование Земли.

Переосмысление понятия «состояние вещества»

Твёрдое, жидкое, газообразное — это лишь три состояния в узком диапазоне температур и давлений, комфортном для человека.
Современная физика научилась различать состояния вещества по топологическим признакам (как «завязаны узлы» внутри), а не только по расположению атомов. Два внешне одинаковых материала могут быть разными состояниями.
В 2016 году за разработку этого подхода была вручена Нобелевская премия по физике, а суть явления объясняли на примере булочки, бублика и кренделя — разница не в материале, а в количестве дырок (топологии).
Список состояний вещества открыт и продолжает расти. Некоторым известным состояниям меньше 10 лет.

Что мешает открытиям?

Главным барьером часто становится уверенность в том, что известное науке совпадает с существующим.
«Запреты» (например, в кристаллографии или термодинамике) обычно были добросовестными выводами из известного, но мир оказывался шире.
Ключевое различие не в том, сомневаться или нет, а в том, сомневаться и проверять или сомневаться и запрещать.
Не каждое странное открытие — гениальное. Большинство тех, кого высмеивают, действительно ошибаются. Разница в наличии проверяемых доказательств, которые можно воспроизвести.

Взгляд вокруг и внутри себя

Вещество нашего тела прошло через множество экстремальных состояний: атомы были звёздной плазмой, сжимались гравитацией, остывали.
Углерод в костях и железо в крови родились в звёздных катастрофах.
Прямо сейчас мембраны наших клеток находятся в жидкокристаллическом состоянии (открытом в вытяжке из моркови) — они держат форму, но текут.
Человек — это «последнее, самое спокойное состояние очень бурного вещества: временное, тёплое, мягкое, ходячее».

Выводы

Мир вещества — это сплошной спектр удивительных состояний, а не набор коробочек.
Скучных вещей не бывает — бывает недостаточно внимательный взгляд.
Историю двигают любопытные люди, которым неудобно оставить непонятное непонятым.
Список состояний вещества никогда не закроется, потому что каждый раз, исследуя новые условия (холод, давление, жар), мы находим нечто неожиданное.
Самое странное вещество Вселенной уже лежит у вас в кармане и ждёт, когда вы на него посмотрите.