useat fermionit, jotka eivät normaalisti voi olla samassa kvanttitilassa, voivat saavuttaa fermionikondensaatiksi kutsutun tilan, jossa ne kaikki saavuttavat alhaisimman mahdollisen energiakokoonpanon. Tämä on aineen kuudes tila. Wolfgang Ketterle / MIT / Center for Ultracold Atoms
Miten monta aineen tilaa on olemassa? Kun olit nuori, olet luultavasti oppinut niistä kolmesta, jotka ovat yleisimpiä kokemuksessamme: kiinteä, neste ja kaasu. Kaikki nämä esiintyvät säännöllisesti täällä maapallon pinnalla: kivet ja jäät ovat kiinteitä aineita, vesi ja monet öljyt ovat nesteitä, kun taas hengittämämme ilmakehä on kaasua. Nämä kolme yleistä ainetilaa perustuvat kuitenkin kaikki neutraaleihin atomeihin; rajoituksiin, jotka eivät sido maailmankaikkeutta.
Jos mitä tahansa atomia pommitetaan tarpeeksi suurella energiamäärällä, siitä potkaistaan elektronit pois, jolloin syntyy ionisoitunut plasma: neljäs ainetila. Mutta on olemassa kaksi muuta aineen tilaa: Bose-Einsteinin kondensaatit ja fermioniset kondensaatit, aineen viides ja kuudes tila. Tällä hetkellä ne ovat saavutettavissa vain äärimmäisissä laboratorio-olosuhteissa, mutta niillä saattaa olla tärkeä rooli itse maailmankaikkeudessa. Tässä kerrotaan miksi.
merkittävästi voi johtaa kiinteään (jää) tai kaasuun (vesihöyry), riippuen siitä, mikä on lämpötila ja kuinka nopeasti siirtyminen tapahtuu. Riittävän korkeissa lämpötiloissa kaikki atomipohjainen aine muuttuu ionisoituneeksi plasmaksi: aineen neljänneksi tilaksi. Wikimedia Commons / Matthieumarechal
Täällä maapallolla kaikki koostuu atomeista. Jotkut atomit sitoutuvat toisiinsa muodostaen molekyylejä; toiset atomit ovat olemassa itsenäisinä kokonaisuuksina. Riippumatta siitä, kuinka monta atomia jossakin tietyssä kemiallisessa yhdisteessä – vedessä, hapessa, metaanissa, heliumissa jne. – on, lämpötila- ja paineolosuhteiden yhdistelmä ratkaisee, onko se kiinteä, nestemäinen vai kaasu.
Vesi, tunnetuimmin vesi, jäätyy matalissa lämpötiloissa ja vaatimattomissa paineissa, muuttuu nestemäiseksi joko korkeammissa paineissa ja/tai korkeammissa lämpötiloissa ja muuttuu kaasuksi vieläkin korkeammissa lämpötiloissa tai hyvin matalissa paineissa. On kuitenkin olemassa kriittinen lämpötila, noin 374 °C (705 °F) yläpuolella, jossa tämä ero katkeaa. Matalissa paineissa kyseessä on edelleen kaasu; korkeammissa paineissa kyseessä on ylikriittinen neste, jolla on sekä kaasun että nesteen ominaisuuksia. Vielä korkeammissa lämpötiloissa molekyylit alkavat ionisoitua, jolloin syntyy plasma: tuo aineen neljäs olomuoto.
Joskus, jos hiukkasten lämpötilat/energiat ovat tarpeeksi korkeat, syntyy väliaikainen olomuoto, jota kutsutaan kvark-gluoniplasmaksi: jossa edes yksittäiset protonit ja neutronit eivät voi muodostua vakaasti. Tämä on tavanomaisemman plasman ydinanalogi, jossa elektronit ja ytimet eivät onnistu sitoutumaan toisiinsa muodostaakseen vakaita, neutraaleja atomeja. Brookhaven National Laboratory / RHIC
Vaikka useimmat keskustelut aineen olomuodoista päättyvät tähän, tieteellinen tarina tuskin päättyy siihen. Todellisuudessa se on vain tarinan atomiosan loppu. Loppua varten meidän täytyy uskaltautua subatomiseen maailmaan: atomia pienempien hiukkasten maailmaan. Olemme jo tavanneet yhden niistä: elektronin, joka on yksi Standardimallin perushiukkasista.
Elektronit ovat atomien negatiivisesti varattuja hiukkasia, jotka kiertävät atomiydintä, samoja hiukkasia, jotka potkaistaan irti suurilla energioilla muodostaen ionisoituneen plasman. Atomiydin puolestaan koostuu protoneista ja neutroneista, jotka puolestaan koostuvat kukin kolmesta kvarkista. Protonien ja neutronien sisällä syntyy, tuhoutuu, emittoituu ja absorboituu jatkuvasti gluoneita sekä kvarkki-antikvarkkipareja. Se on sotkuinen subatominen maailma jokaisen protonin ja neutronin sisällä.
sen pyörimisliike, mutta niin tekevät myös gluonit, merikvarkit ja -antikvarkit sekä kiertokulmavauhti. Sähköstaattinen repulsio ja vetovoimainen vahva ydinvoima yhdessä antavat protonille sen koon, ja kvarkkien sekoittumisen ominaisuuksia tarvitaan selittämään maailmankaikkeutemme vapaiden ja yhdistettyjen hiukkasten joukko. Yksittäiset protonit käyttäytyvät kaiken kaikkiaan fermioneina, eivät bosoneina. APS/Alan Stonebraker
Tässä on avainkohta, joka johdattaa meidät aineen viidenteen ja kuudenteen olotilaan: jokainen maailmankaikkeuden hiukkanen, olipa se sitten perus- tai yhdistelmähiukkanen, kuuluu yhteen kahdesta kategoriasta.
- Fermioni. Tämä on hiukkanen, jonka spiniä (tai sisäistä kulmamomenttia) mitattaessa saadaan aina arvoja, jotka kvantittuvat Planckin vakion puolitoistakertaisina arvoina: ±1/2, ±3/2, ±5/2 jne.
- Bosoni. Tämä on hiukkanen, jonka spiniä mitattaessa saamme aina Planckin vakion kokonaislukuarvoina kvantittuneita arvoja: 0, ±1, ±2, jne.
Se on siinä. Koko tunnetussa maailmankaikkeudessa ei ole yhtään hiukkasta – perus- tai komposiittihiukkasta – joka kuuluisi mihinkään muuhun kategoriaan. Kaikki, mitä olemme koskaan mitanneet, käyttäytyy joko fermionina tai bosonina.
Malli noudattaa kaikenlaisia säilymislakeja, mutta fermionisten hiukkasten ja antihiukkasten sekä bosonisten hiukkasten välillä on perustavanlaatuisia eroja. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Elektronit, jotka ovat perushiukkasia, joiden spin on ±½, ovat ilmeisesti fermioneja. Protoneilla ja neutroneilla, jotka kumpikin koostuvat kolmesta kvarkista kumpikin, on myös spinit, jotka voivat olla vain ±½, koska yhden kvarkin spin on aina vastakkainen kahden muun kvarkin spinille. Jos kuitenkin sitoo protonin ja neutronin yhteen, syntyy yhdistetty hiukkanen, joka tunnetaan nimellä deuteroni: deuteriumiksi kutsutun raskaan vedyn isotoopin atomiydin.
Deuteroni, joka on fermioni, joka on sidottu yhteen toisen fermionin kanssa, käyttäytyy aina kuin bosoni. (Miksi? Koska ±½ + ±½ voi olla vain -1, 0 tai +1: bosonin spin-arvot). Riippumatta siitä, onko kyseessä perus- vai yhdistelmähiukkanen, fermionit ja bosonit eroavat toisistaan merkittävästi. Kyllä, niiden spinit ovat erilaiset, mutta tämä ero johtaa hämmästyttävään seuraukseen: fermionit noudattavat Paulin poissulkemisperiaatetta, bosonit eivät.
mukaan lukien orgaaniset molekyylit ja biologiset prosessit, on mahdollista vain siksi, että elektroneja hallitsee Paulin poissulkemissääntö, joka kieltää kahta elektronia olemasta samassa kvanttitilassa. Jenny Mottar
Paulin poissulkemisperiaate on yksi keskeisistä kulmakivistä, joka löydettiin kvanttimekaniikan alkuaikoina. Sen mukaan kaksi fermionia ei voi olla täsmälleen samassa kvanttitilassa keskenään.
Tämä tulee kyseeseen, kun alamme laittaa elektroneja täysin ionisoituneeseen atomiytimeen. Ensimmäinen elektroni vajoaa alimpaan mahdolliseen energiakokoonpanoon: perustilaan. Jos lisätään toinen elektroni, se yrittää myös laskeutua perustilaan, mutta huomaa, että se on jo varattu. Jotta sen konfiguraation energia olisi mahdollisimman pieni, se putoaa samaan tilaan, mutta sen spin on käännettävä: +½, jos ensimmäinen elektroni oli -½; -½, jos ensimmäinen elektroni oli +½. Kaikkien seuraavien elektronien on siirryttävä asteittain yhä korkeamman energian tilaan; millään kahdella elektronilla ei voi olla täsmälleen sama kvanttikonfiguraatio samassa fysikaalisessa systeemissä.
vastaavat eri tiloja vetyatomin sisällä. Elektronin spin = 1/2 -luonteen vuoksi vain kaksi (+1/2- ja -1/2-tilat) elektronia voi olla missä tahansa tilassa samanaikaisesti. PoorLeno / Wikimedia Commons Mutta tämä ei päde bosoneihin. Voit sijoittaa niin monta bosonia perustilan konfiguraatioon kuin haluat, ilman rajoituksia. Jos luot oikeat fysikaaliset olosuhteet – kuten jäähdytät bosonien muodostaman systeemin ja rajoitat ne samaan fyysiseen paikkaan – ei ole mitään rajaa sille, kuinka monta bosonia voit sijoittaa tuohon matalimman energian tilaan. Kun saavutetaan tämä konfiguraatio, jossa monet bosonit ovat kaikki samassa, matalimman energian kvanttitilassa, on saavutettu aineen viides tila: Bose-Einsteinin kondensaatti.
Helium, atomi, joka koostuu kahdesta protonista, kahdesta neutronista ja neljästä elektronista, on stabiili atomi, joka koostuu parillisesta määrästä fermioneja, ja siksi se käyttäytyy kuin bosoni. Tarpeeksi alhaisissa lämpötiloissa se muuttuu supernesteeksi: nesteeksi, jonka viskositeetti on nolla ja jolla ei ole kitkaa itsensä tai minkään säiliön välillä, jonka kanssa se on vuorovaikutuksessa. Nämä ominaisuudet ovat seurausta Bose-Einsteinin kondensaatiosta. Helium oli ensimmäinen bosoni, joka saavutti tämän viidennen aineen olomuodon, mutta sittemmin se on toistettu kaasuille, molekyyleille, kvasihiukkasille ja jopa fotoneille. Se on nykyäänkin aktiivinen tutkimusalue.
ennen (L), aikana (keskellä) ja jälkeen (R) BEC-tilaan siirtymistä. Kuvaaja esittää kolmiulotteisia peräkkäisiä otoksia ajassa, jossa atomit tiivistyvät vähemmän tiheistä punaisista, keltaisista ja vihreistä alueista hyvin tiheiksi sinisistä valkoisiin alueisiin. NIST/JILA/CU-Boulder
Fermionit eivät toisaalta voi kaikki olla samassa kvanttitilassa. Valkoiset kääpiötähdet ja neutronitähdet eivät romahda Paulin poissulkemisperiaatteen vuoksi; vierekkäisten atomien elektronit (valkoisissa kääpiöissä) tai toisiinsa rajoittuvat neutronit (neutronitähdissä) eivät voi täysin romahtaa oman painovoimansa vaikutuksesta Paulin poissulkemisperiaatteen tarjoaman kvanttipaineen vuoksi. Sama periaate, joka on vastuussa atomien rakenteesta, estää näitä tiheitä ainekokoonpanoja romahtamasta mustiksi aukoiksi; kaksi fermionia ei voi olla samassa kvanttitilassa.
Miten sitten saavutetaan aineen kuudes tila: fermioninen kondensaatti? Uskokaa tai älkää, mutta fermionisten kondensaattien tarina juontaa juurensa aina 1950-luvulle asti, jolloin Nobel-palkittu fyysikko Leon Cooper teki uskomattoman löydön. Termi, jonka haluat muistaa, on nimetty hänen mukaansa: Cooperin parit.
varatut elektronit muuttavat hiukan johtimen positiivisten varausten konfiguraatioita, jolloin elektronit kokevat hiukan vetovoimaista suhteellista voimaa. Tämä johtaa siihen, että ne parittuvat muodostaen Cooperin pareja, joka on ensimmäinen koskaan löydetty fermionisen kondensaatin muoto. Tem5psu / Wikimedia Commons
Matalissa lämpötiloissa jokainen hiukkanen pyrkii kohti alhaisimman energiansa omaavaa perustilan konfiguraatiota. Jos otat johtavan metallin ja lasket lämpötilaa riittävästi, kaksi elektronia, joilla on vastakkaiset spinit, muodostavat parin; tämä pieni vetovoima saa elektronit muodostamaan parin vähemmän energiseksi ja vakaammaksi konfiguraatioksi kuin jos kaikki elektronit liikkuisivat yksitellen.
Fermioniset kondensaatit vaativat matalampia lämpötiloja kuin Bose-Einsteinin kondensaatit, mutta nekin käyttäytyvät supernesteen tavoin. Vuonna 1971 osoitettiin, että helium-3 (jossa on yksi neutroni vähemmän kuin tavallisessa heliumissa) muuttuu supernesteeksi alle 2,5 millikelvinin lämpötiloissa, mikä oli ensimmäinen osoitus supernesteestä, jossa on mukana vain fermioneja. Vuonna 2003 fyysikko Deborah Jinin laboratorio loi ensimmäisen atomipohjaisen fermionikondensaatin käyttämällä voimakasta magneettikenttää yhdessä erittäin kylmien lämpötilojen kanssa houkutellakseen atomit tähän haluttuun tilaan.
tavallisista aineen tiloista voi äärimmäisen alhaisissa lämpötiloissa syntyä kondensaatteja, joilla on ainutlaatuisia fyysisiä ominaisuuksia. ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Kolmen tavanomaisen aineen olomuodon – kiinteän, nestemäisen ja kaasun – lisäksi on olemassa ionisoituneen plasman korkeamman energian olomuoto, joka syntyy aina, kun atomeilla ja molekyyleillä on liian vähän elektroneja ollakseen sähköisesti neutraaleja. Erittäin alhaisissa lämpötiloissa kaksi hiukkasten perusluokkaa, bosonit ja fermionit, voivat kuitenkin kumpikin tiivistyä yhteen omalla erityisellä tavallaan, jolloin syntyy Bose-Einsteinin tai fermioninen kondensaatti: aineen viides ja kuudes olotila.
Fermionisen kondensaatin luomiseksi aineesta on kuitenkin saatava aikaan poikkeukselliset olosuhteet: lämpötilat, jotka jäävät alle 50 nanokelvinin, ja niihin on kytkettävä ajassa vaihteleva magneettikenttä. Avaruuden valtavassa syvyydessä on kuitenkin erinomaisen mahdollista, että neutriinot (jotka koostuvat fermioneista) tai pimeä aine (joka voi olla fermioneja tai bosoneja) kasaantuvat yhteen muodostaen omia kondensaattejaan. Avain erään maailmankaikkeuden suurimman mysteerin avaamiseen saattaa piillä harvinaisimmassa ja äärimmäisimmässä kaikista tunnetuista aineen tiloista.
Seuraa minua Twitterissä. Tutustu verkkosivuihini tai muihin töihini täällä.