více fermionů, které normálně nemohou zaujímat stejný kvantový stav, může dosáhnout stavu známého jako fermionický kondenzát, kde všechny dosáhnou konfigurace s nejnižší možnou energií. Jedná se o šestý stav hmoty. Wolfgang Ketterle / MIT / Centrum pro ultrachladné atomy
Kolik stavů hmoty existuje? Když jste byli malí, pravděpodobně jste se učili o třech, které jsou pro naši zkušenost nejběžnější: pevné, kapalné a plynné. Všechny tyto stavy se pravidelně vyskytují zde na zemském povrchu: horniny a led jsou pevné látky, voda a mnoho olejů jsou kapaliny, zatímco atmosféra, kterou dýcháme, je plyn. Všechny tyto tři běžné stavy hmoty jsou však založeny na neutrálních atomech; omezení, která vesmír neváží.
Bombardujete-li jakýkoli atom dostatečnou energií, odkopnete z něj elektrony a vytvoříte ionizované plazma: čtvrtý stav hmoty. Existují však ještě dva další stavy hmoty: Boseho-Einsteinovy kondenzáty a fermionické kondenzáty, pátý a šestý stav hmoty. V současné době jsou dosažitelné pouze za extrémních laboratorních podmínek, ale mohou hrát důležitou roli v samotném vesmíru. Zde je důvod, proč.
výrazně mohou vyústit v pevnou látku (led) nebo plyn (vodní pára), v závislosti na tom, jaká je teplota a jak rychle přechod probíhá. Při dostatečně vysokých teplotách se veškerá hmota na bázi atomů stane ionizovaným plazmatem: čtvrtým stavem hmoty. Wikimedia Commons / Matthieumarechal
Tady na Zemi se vše skládá z atomů. Některé atomy se spojují do molekul, jiné atomy existují jako samostatné entity. Bez ohledu na počet atomů v konkrétní chemické sloučenině – voda, kyslík, metan, helium atd. – kombinace teplotních a tlakových podmínek určuje, zda se jedná o pevnou látku, kapalinu nebo plyn.
Nejznámější je voda, která při nízkých teplotách a mírných tlacích mrzne, při vyšších tlacích a/nebo vyšších teplotách se stává kapalinou a při ještě vyšších teplotách nebo velmi nízkých tlacích se stává plynem. Existuje však kritická teplota nad přibližně 374 °C (705 °F), při které se toto rozlišení ruší. Při nízkých tlacích se stále jedná o plyn, při vyšších tlacích o nadkritickou kapalinu s vlastnostmi plynu i kapaliny. Přejděte na ještě vyšší teploty a začnete ionizovat molekuly a vytvoříte plazma: tento čtvrtý stav hmoty.
někdy, pokud jsou teploty/energie částic dostatečně vysoké, vytvoří dočasný stav známý jako kvark-gluonové plazma: kde se nemohou stabilně tvořit ani jednotlivé protony a neutrony. Jedná se o jadernou obdobu standardnějšího plazmatu, kde se elektrony a jádra úspěšně nespojují za vzniku stabilních neutrálních atomů. Brookhavenská národní laboratoř / RHIC
Ačkoli zde většina diskusí o stavech hmoty končí, není to zdaleka konec vědeckého příběhu. Ve skutečnosti je to jen konec atomové části příběhu. Pro zbytek se musíme vydat do subatomárního světa: světa částic menších než atom. S jednou z nich jsme se již setkali: s elektronem, který je jednou ze základních částic standardního modelu.
Elektrony jsou záporně nabité částice v atomech, které obíhají kolem atomového jádra, tytéž částice, které se při vysokých energiích vybíjejí a tvoří ionizované plazma. Atomové jádro se mezitím skládá z protonů a neutronů, které se zase skládají každý ze tří kvarků. Uvnitř protonů a neutronů se neustále vytvářejí, ničí, vyzařují a pohlcují gluony a také páry kvark-antikvark v každé z těchto složených částic. Uvnitř každého protonu a neutronu je to neuspořádaný subatomární svět.
jeho spin, ale také gluony, mořské kvarky a antikvarky a také orbitální úhlový moment. Elektrostatické odpuzování a přitažlivá silná jaderná síla v tandemu dávají protonu jeho velikost a vlastnosti kvarkového míchání jsou nutné k vysvětlení sady volných a složených částic v našem vesmíru. Jednotlivé protony se celkově chovají jako fermiony, nikoli jako bosony. APS/Alan Stonebraker
Tady je klíčový bod, který nás dovede k pátému a šestému stavu hmoty: každá částice ve vesmíru, bez ohledu na to, zda jde o základní nebo složenou částici, spadá do jedné ze dvou kategorií.
- Fermion. Jedná se o částici, u které při měření jejího spinu (nebo vlastního momentu hybnosti) vždy dostaneme hodnoty, které jsou kvantovány v polovičních hodnotách Planckovy konstanty: ±1/2, ±3/2, ±5/2 atd.
- Boson. To je částice, u které při měření jejího spinu vždy dostaneme hodnoty, které jsou kvantovány v celočíselných hodnotách Planckovy konstanty: 0, ±1, ±2 atd.
To je vše. V celém známém vesmíru neexistují částice – fundamentální ani složené -, které by spadaly do jiné kategorie. Vše, co jsme kdy změřili, se chová buď jako fermion, nebo jako boson.
Model se řídí nejrůznějšími zákony zachování, ale mezi fermionovými částicemi a antičásticemi a bosonovými jsou zásadní rozdíly. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Elektrony, jakožto fundamentální částice se spinem ±½, jsou samozřejmě fermiony. Protony a neutrony, z nichž každý se skládá ze tří kvarků, mají rovněž spiny, které mohou být pouze ±½, protože spin jednoho kvarku bude vždy protichůdný spinu ostatních dvou. Pokud však spojíte proton a neutron dohromady, vytvoříte složenou částici známou jako deuteron: atomové jádro těžkého izotopu vodíku známého jako deuterium.
Deuteron, což je fermion spojený s jiným fermionem, se vždy chová jako boson. (Proč? Protože ±½ + ±½ se může rovnat pouze -1, 0 nebo +1: hodnoty spinu pro boson.) Ať už máme co do činění se základními nebo složenými částicemi, fermiony a bosony vykazují klíčový vzájemný rozdíl. Ano, jejich spiny se liší, ale tento rozdíl vede k úžasnému důsledku: fermiony se řídí Pauliho vylučovacím pravidlem; bosony nikoliv.
včetně organických molekul a biologických procesů, je možné pouze díky Pauliho vylučovacímu pravidlu, kterým se řídí elektrony a které zakazuje, aby jakékoli dva z nich zaujímaly stejný kvantový stav. Jenny Mottar
Pauliho vylučovací pravidlo je jedním z klíčových základních kamenů, které byly objeveny v počátcích kvantové mechaniky. Tvrdí, že žádné dva fermiony nemohou navzájem zaujímat přesně stejný kvantový stav.
To se projeví, když začneme na plně ionizované atomové jádro umisťovat elektrony. První elektron klesne do konfigurace s nejnižší možnou energií: do základního stavu. Pokud přidáte druhý elektron, bude se také snažit dostat do základního stavu, ale zjistí, že je již obsazen. Aby minimalizoval energii své konfigurace, spadne do stejného stavu, ale musí mít obrácený spin: Pokud byl první elektron -½, musí mít spin +½; pokud byl první elektron +½, musí mít spin -½. Jakékoli další elektrony musí přecházet do stavu s postupně vyšší a vyšší energií; žádné dva elektrony nemohou mít ve stejném fyzikálním systému přesně stejnou kvantovou konfiguraci.
odpovídají různým stavům v atomu vodíku. Vzhledem k povaze spinu = 1/2 elektronu se v daném stavu mohou současně nacházet pouze dva elektrony (stavy +1/2 a -1/2). PoorLeno / Wikimedia Commons Pro bosony to však neplatí. V konfiguraci základního stavu můžete umístit libovolný počet bosonů bez jakéhokoli omezení. Pokud vytvoříte správné fyzikální podmínky – například ochladíte systém bosonů a omezíte je na stejném fyzikálním místě – neexistuje žádné omezení počtu bosonů, které můžete do tohoto stavu s nejnižší energií umístit. Když dosáhnete této konfigurace mnoha bosonů ve stejném kvantovém stavu s nejnižší energií, dosáhnete pátého stavu hmoty: Boseho-Einsteinova kondenzátu.
Hélium, atom složený ze dvou protonů, dvou neutronů a čtyř elektronů, je stabilní atom složený ze sudého počtu fermionů, a proto se chová jako boson. Při dostatečně nízkých teplotách se z něj stává supratekutina: tekutina s nulovou viskozitou a bez tření mezi sebou a jakoukoli nádobou, se kterou interaguje. Tyto vlastnosti jsou důsledkem Boseho-Einsteinovy kondenzace. Ačkoli helium bylo prvním bosonem, který dosáhl tohoto pátého stavu hmoty, od té doby byl tento stav reprodukován pro plyny, molekuly, kvazičástice a dokonce i fotony. Dodnes zůstává aktivní oblastí výzkumu.
před (L), během (uprostřed) a po (R) dokončení přechodu do stavu BEC. Graf ukazuje trojrozměrné postupné snímky v čase, ve kterých atomy kondenzovaly z méně hustých červených, žlutých a zelených oblastí do velmi hustých modrých až bílých oblastí. NIST/JILA/CU-Boulder
Fermiony naopak nemohou být všechny ve stejném kvantovém stavu. Bílí trpaslíci a neutronové hvězdy se nezhroutí kvůli Pauliho vylučovacímu principu; elektrony v sousedních atomech (u bílých trpaslíků) nebo neutrony, které spolu hraničí (u neutronových hvězd), se nemohou plně zhroutit pod vlastní gravitací, protože kvantový tlak zajišťuje Pauliho vylučovací princip. Stejný princip, který je zodpovědný za atomovou strukturu, brání těmto hustým konfiguracím hmoty zhroutit se do černých děr; dva fermiony nemohou zaujímat stejný kvantový stav.
Jak tedy dosáhnout šestého stavu hmoty: fermionického kondenzátu? Věřte tomu nebo ne, ale příběh fermionických kondenzátů sahá až do 50. let 20. století, kdy došlo k neuvěřitelnému objevu nobelisty Leona Coopera. Termín, který si budete chtít zapamatovat, je pojmenován právě po něm:
nabité elektrony mírně změní konfiguraci kladných nábojů ve vodiči, což způsobí, že na elektrony působí mírně přitažlivá relativní síla. To vede k tomu, že se párují a vytvářejí Cooperovy páry, což je první forma fermionického kondenzátu, která byla kdy objevena. Tem5psu / Wikimedia Commons
Při nízkých teplotách každá částice směřuje ke své konfiguraci s nejnižší energií v základním stavu. Pokud vezmete vodivý kov a dostatečně snížíte teplotu, dva elektrony s opačnými spiny se spárují; tato nepatrná přitažlivost způsobí, že se elektrony spárují do méně energetické, stabilnější konfigurace, než kdyby se všechny vaše elektrony pohybovaly jednotlivě.
Fermionické kondenzáty vyžadují nižší teploty než Boseho-Einsteinovy kondenzáty, ale také se chovají jako supratekuté. V roce 1971 bylo prokázáno, že helium-3 (s jedním neutronem méně než standardní helium) se stává supratekutinou při teplotách nižších než 2,5 milikelvina, což byl první důkaz supratekutiny zahrnující pouze fermiony. V roce 2003 vytvořila laboratoř fyzičky Deborah Jin první fermionický kondenzát na atomární bázi, přičemž využila silné magnetické pole spolu s velmi nízkými teplotami k tomu, aby přiměla atomy k tomuto hledanému stavu.
běžné stavy hmoty, při extrémně nízkých teplotách mohou vznikat kondenzáty s jedinečnými fyzikálními vlastnostmi. ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Kromě tří standardních stavů hmoty – pevného, kapalného a plynného – existuje stav ionizovaného plazmatu s vyšší energií, který vzniká všude tam, kde mají atomy a molekuly příliš málo elektronů na to, aby byly elektricky neutrální. Při ultranízkých teplotách však mohou dvě základní třídy částic, bosony a fermiony, kondenzovat každá svým specifickým způsobem a vytvářet Boseho-Einsteinův, respektive Fermionův kondenzát: pátý a šestý stav hmoty.
Pro vytvoření fermionového kondenzátu z hmoty je však třeba dosáhnout mimořádných podmínek: teploty nižší než 50 nanokelvinů s aplikovaným časově proměnným magnetickým polem. V obrovské propasti vesmíru je však eminentně možné, že se neutrina (tvořená fermiony) nebo temná hmota (což mohou být fermiony nebo bosony) shlukují a vytvářejí vlastní kondenzáty. Klíč k odhalení jedné z největších záhad vesmíru se možná skrývá v nejvzácnějším a nejextrémnějším ze všech známých stavů hmoty.
Sledujte mě na Twitteru. Podívejte se na mé webové stránky nebo na některé mé další práce zde.
.