flere fermioner, som normalt ikke kan indtage den samme kvantetilstand, kan nå en tilstand kendt som et fermionisk kondensat, hvor de alle opnår den lavenergikonfiguration, der er mulig. Dette er den sjette stoftilstand. Wolfgang Ketterle / MIT / Center for Ultracold Atoms
Hvor mange stoftilstande er der? Da du var ung, lærte du sikkert om de tre, der er mest almindelige i vores erfaring: fast stof, væske og gas. Alle disse forekommer med jævne mellemrum her på Jordens overflade: Klipper og is er faste stoffer, vand og mange olier er væsker, mens atmosfæren, som vi indånder, er en gas. Disse tre almindelige stoftilstande er imidlertid alle baseret på neutrale atomer; restriktioner, som universet ikke er bundet af.
Hvis man bombarderer et atom med tilstrækkelig energi, vil man sparke elektronerne af det og skabe et ioniseret plasma: den fjerde stoftilstand. Men der findes yderligere to stoftilstande: Bose-Einstein-kondensater og fermioniske kondensater, den femte og sjette stoftilstand. På nuværende tidspunkt kan de kun opnås under ekstreme laboratorieforhold, men de kan spille en vigtig rolle i selve universet. Her er hvorfor.
kan i betydelig grad resultere i et fast stof (is) eller en gas (vanddamp), afhængigt af, hvilken temperatur der er, og hvor hurtigt overgangen sker. Ved tilstrækkeligt høje temperaturer vil alt atombaseret stof blive til et ioniseret plasma: den fjerde stoftilstand. Wikimedia Commons / Matthieumarechal
Her på Jorden er alting opbygget af atomer. Nogle atomer binder sig sammen og danner molekyler; andre atomer eksisterer som selvstændige enheder. Uanset antallet af atomer i en bestemt kemisk forbindelse – vand, ilt, metan, helium osv. – er det kombinationen af temperatur- og trykforhold, der bestemmer, om det er et fast stof, en væske eller en gas.
Vand fryser som bekendt ved lave temperaturer og beskedne tryk, bliver flydende ved enten højere tryk og/eller højere temperaturer og bliver til en gas ved endnu højere temperaturer eller meget lave tryk. Der er dog en kritisk temperatur, over ca. 374 °C (705 °F), hvor denne skelnen bryder sammen. Ved lave tryk får man stadig en gas; ved højere tryk får man en superkritisk væske med egenskaber som både gas og væske. Hvis man går op til endnu højere temperaturer, begynder man at ionisere molekylerne og skaber et plasma: den fjerde stoftilstand.
undertiden, hvis partiklernes temperaturer/energier er høje nok, skaber man en midlertidig tilstand kendt som et quark-gluon-plasma: hvor selv individuelle protoner og neutroner ikke kan dannes stabilt. Dette er den nukleare analogi til et mere almindeligt plasma, hvor det ikke lykkes elektroner og kerner at binde sig sammen og danne stabile, neutrale atomer. Brookhaven National Laboratory / RHIC
Og selv om det er her, de fleste diskussioner om stoftilstande slutter, er det næppe enden på den videnskabelige historie. I virkeligheden er det kun slutningen på den atomare del af historien. For at få resten er vi nødt til at vove os ind i den subatomare verden: verden af partikler, der er mindre end atomerne. Vi har allerede mødt en af dem: elektronen, som er en af de fundamentale partikler i standardmodellen.
Elektroner er de negativt ladede partikler i atomer, der kredser om atomkernen, de samme partikler, der bliver sparket af ved høje energier for at danne et ioniseret plasma. Atomkernen består i mellemtiden af protoner og neutroner, som igen består af tre kvarker hver. Inden i protoner og neutroner skabes, destrueres, udsendes og absorberes gluoner og kvark-antikvark-parer konstant inden i hver af disse sammensatte partikler. Det er en rodet subatomar verden inde i hver eneste proton og neutron.
sit spin, men det samme gør gluonerne, havkvarker og antikvarker og også kredsløbsvinkelmomentet. Det er den elektrostatiske frastødning og den tiltrækkende stærke kernekraft, der sammen giver protonen dens størrelse, og egenskaberne ved kvarkblanding er nødvendige for at forklare rækken af frie og sammensatte partikler i vores univers. Individuelle protoner opfører sig generelt som fermioner, ikke som bosoner. APS/Alan Stonebraker
Her er det centrale punkt, der vil føre os til den femte og sjette stoftilstand: Enhver partikel i universet, uanset om den er en fundamental eller sammensat partikel, falder ind under en af to kategorier.
- Fermion. Dette er en partikel, som, når vi måler dens spin (eller iboende vinkelmoment), altid får værdier, der er kvantiseret i halvt heltalsværdier af Plancks konstant: ±1/2, ±3/2, ±5/2 osv.
- Boson. Dette er en partikel, som, når vi måler dens spin, altid får værdier, der er kvantiseret i heltalsværdier af Plancks konstant: 0, ±1, ±2, osv.
Det er det hele. I hele det kendte univers findes der ingen partikler – hverken fundamentale eller sammensatte – der falder ind under nogen anden kategori. Alt, hvad vi nogensinde har målt, opfører sig enten som fermioner eller bosoner.
Modellen adlyder alle mulige bevarelseslove, men der er grundlæggende forskelle mellem fermioniske partikler og antipartikler og bosoniske partikler. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Elektroner, der er fundamentale partikler med spins på ±½, er naturligvis fermioner. Protoner og neutroner, der hver især består af tre kvarker hver især, har også spins, der kun kan være ±½, da den ene kvarks spin altid vil være modsat de to andre kvarkers spin. Hvis man imidlertid binder en proton og en neutron sammen, skaber man en sammensat partikel, der kaldes en deuteron: atomkernen i en tung brintisotop, der kaldes deuterium.
En deuteron, som er en fermion bundet sammen med en anden fermion, opfører sig altid som en boson. (Hvorfor? Fordi ±½ + ±½ kun kan være lig med -1, 0 eller +1: spinværdierne for en boson). Uanset om vi har at gøre med fundamentale partikler eller sammensatte partikler, udviser fermioner og bosoner en afgørende forskel fra hinanden. Ja, deres spins er forskellige, men denne forskel fører til en forbløffende konsekvens: fermioner adlyder Pauli-eksklusionsprincippet; bosoner gør ikke.
herunder organiske molekyler og biologiske processer, er kun mulig på grund af Pauli-eksklusionsreglen, der styrer elektroner, og som forbyder to af dem at indtage den samme kvantetilstand. Jenny Mottar
Pauli-eksklusionsprincippet er en af de vigtigste hjørnesten, der blev opdaget i kvantemekanikkens tidlige dage. Det fastslår, at to fermioner ikke kan indtage nøjagtig samme kvantetilstand som hinanden.
Dette kommer i spil, når vi begynder at sætte elektroner på en fuldt ioniseret atomkerne. Den første elektron vil synke ned til den lavenergikonfiguration, der er lavest mulig: grundtilstanden. Hvis man tilføjer en anden elektron, vil den også forsøge at komme ned i grundtilstanden, men vil opdage, at den allerede er besat. For at minimere energien i dens konfiguration falder den ned i den samme tilstand, men skal have sit spin omvendt: +½, hvis den første elektron var -½; -½, hvis den første var +½. Alle yderligere elektroner skal gå ind i en gradvist højere og højere energitilstand; ingen to elektroner kan have den samme nøjagtige kvantekonfiguration i det samme fysiske system.
svarer til forskellige tilstande i et brintatom. På grund af elektronens spin = 1/2-natur kan kun to (+1/2- og -1/2-tilstande) elektroner befinde sig i en given tilstand på samme tid. PoorLeno / Wikimedia Commons Men dette gælder ikke for bosoner. Du kan placere lige så mange bosoner i grundtilstandskonfigurationen, som du vil, uden begrænsninger. Hvis man skaber de rette fysiske betingelser – f.eks. ved at afkøle et system af bosoner og begrænse dem til det samme fysiske sted – er der ingen grænse for antallet af bosoner, som man kan få plads til i denne lavenergitilstand. Når man når denne konfiguration med mange bosoner, der alle befinder sig i den samme kvantetilstand med den laveste energi, har man opnået den femte stoftilstand: et Bose-Einstein-kondensat.
Helium, et atom bestående af to protoner, to neutroner og fire elektroner, er et stabilt atom, der består af et lige antal fermioner, og det opfører sig derfor som en boson. Ved tilstrækkeligt lave temperaturer bliver det til en superfluid: en væske med nul viskositet og ingen friktion mellem sig selv og enhver beholder, som det interagerer med. Disse egenskaber er en følge af Bose-Einstein-kondensering. Helium var den første boson, der opnåede denne femte stoftilstand, men siden er den blevet gentaget for gasser, molekyler, kvasi-partikler og endda fotoner. Det er stadig et aktivt forskningsområde i dag.
før (L), under (midten) og efter (R) overgangen til en BEC-tilstand er fuldført. Grafikken viser tredimensionale på hinanden følgende øjebliksbilleder i tiden, hvor atomerne kondenserede fra mindre tætte røde, gule og grønne områder til meget tætte blå til hvide områder. NIST/JILA/CU-Boulder
Fermioner kan på den anden side ikke alle være i samme kvantetilstand. Hvide dværgstjerner og neutronstjerner kollapser ikke på grund af Pauli-eksklusionsprincippet; elektroner i tilstødende atomer (i hvide dværge) eller neutroner, der grænser op til hinanden (i neutronstjerner), kan ikke kollapse fuldstændigt under deres egen tyngdekraft på grund af det kvantetryk, som Pauli-eksklusionsprincippet giver. Det samme princip, som er ansvarlig for atomstrukturen, forhindrer disse tætte materiekonfigurationer i at kollapse ned til sorte huller; to fermioner kan ikke indtage den samme kvantetilstand.
Så hvordan kan man så opnå den sjette materietilstand: et fermionisk kondensat? Tro det eller ej, men historien om fermioniske kondensater går helt tilbage til 1950’erne med en utrolig opdagelse af den nobelprisvindende fysiker Leon Cooper. Udtrykket, som du gerne vil huske, er opkaldt efter ham: Cooper-par.
ladede elektroner vil ændre konfigurationerne af de positive ladninger i lederen en smule, hvilket får elektronerne til at opleve en let tiltrækkende relativ kraft. Dette fører til, at de danner pardannelse og danner Cooper-par, den første form for fermionisk kondensat, der nogensinde er opdaget. Tem5psu / Wikimedia Commons
Til lave temperaturer tenderer alle partikler mod deres lavenergi-, grundtilstandskonfiguration. Hvis du tager et ledende metal og sænker temperaturen tilstrækkeligt, vil to elektroner med modsatte spins danne par sammen; denne lille tiltrækning vil få elektronerne til at danne par som en mindre energirig, mere stabil konfiguration end at have alle dine elektroner, der bevæger sig individuelt.
Fermioniske kondensater kræver lavere temperaturer end Bose-Einstein-kondensater gør, men de opfører sig også som en superfluid. I 1971 blev det vist, at helium-3 (med en neutron mindre end standardhelium) bliver en superfluid ved temperaturer under 2,5 millikelvin, hvilket var den første demonstration af en superfluid, der kun involverer fermioner. I 2003 skabte fysikeren Deborah Jins laboratorium det første atombaserede fermioniske kondensat ved at udnytte et stærkt magnetfelt sammen med ultrakolde temperaturer til at få atomerne ind i denne eftertragtede tilstand.
almindelige stoftilstande, kan der ved ekstremt lave temperaturer opstå kondensater med unikke fysiske egenskaber. ©Johan Jarnestad/Det Kongelige Svenske Videnskabsakademi
Ud over de tre standardtilstande for stof – fast stof, væske og gas – findes der en højere energitilstand, et ioniseret plasma, der opstår overalt, hvor atomer og molekyler har for få elektroner til at være elektrisk neutrale. Ved ultralave temperaturer kan de to fundamentale klasser af partikler, bosoner og fermioner, imidlertid kondensere sammen på hver sin særlige måde og skabe henholdsvis Bose-Einstein- eller Fermion-kondensater: den femte og sjette stoftilstand.
For at skabe et Fermion-kondensat ud af stof skal man imidlertid opnå ekstraordinære forhold: temperaturer under 50 nanokelvin med et påført tidsvarierende magnetfelt. I rummets enorme afgrund er det imidlertid eminent muligt, at neutrinoer (som består af fermioner) eller mørkt stof (som kan være fermioner eller bosoner) klumper sig sammen og danner deres egne kondensater. Nøglen til at løse et af universets største mysterier kan ligge i den sjældneste og mest ekstreme af alle de kendte materietilstande.
Følg mig på Twitter. Tjek mit websted eller nogle af mine andre værker her.