mai mulți fermioni, care în mod normal nu pot ocupa aceeași stare cuantică, pot ajunge la o stare cunoscută sub numele de condensat fermionic, în care toți ating cea mai mică configurație energetică posibilă. Aceasta este cea de-a șasea stare a materiei. Wolfgang Ketterle / MIT / Center for Ultracold Atoms
Câte stări ale materiei există? Când erați tineri, probabil că ați învățat despre cele trei care sunt cele mai comune în experiența noastră: solid, lichid și gaz. Toate acestea apar cu regularitate aici, pe suprafața Pământului: rocile și gheața sunt solide, apa și multe uleiuri sunt lichide, în timp ce atmosfera pe care o respirăm este un gaz. Cu toate acestea, aceste trei stări comune ale materiei se bazează toate pe atomi neutri; restricții de care Universul nu este legat.
Dacă bombardați orice atom cu suficientă energie, îi veți îndepărta electronii, creând o plasmă ionizată: cea de-a patra stare a materiei. Dar există încă două stări suplimentare ale materiei care există: Condensatele Bose-Einstein și Condensatele Fermionice, a cincea și a șasea stare a materiei. În prezent, acestea sunt realizabile doar în condiții extreme de laborator, dar ar putea juca un rol important în Universul însuși. Iată de ce.
în mod semnificativ poate rezulta un solid (gheață) sau un gaz (vapori de apă), în funcție de temperatura la care se află și de rapiditatea cu care are loc tranziția. La temperaturi suficient de ridicate, toată materia bazată pe atomi va deveni o plasmă ionizată: cea de-a patra stare a materiei. Wikimedia Commons / Matthieumarechal
Aici, pe Pământ, totul este alcătuit din atomi. Unii atomi se leagă între ei pentru a forma molecule; alți atomi există ca entități de sine stătătoare. Indiferent de numărul de atomi dintr-un anumit compus chimic – apă, oxigen, metan, heliu etc. – combinația de condiții de temperatură și presiune determină dacă este un solid, lichid sau gaz.
Apa, cel mai cunoscut, îngheață la temperaturi scăzute și presiuni modeste, devine lichidă fie la presiuni mai mari și/sau la temperaturi mai ridicate și devine gaz la temperaturi și mai ridicate sau la presiuni foarte scăzute. Cu toate acestea, există o temperatură critică, peste aproximativ 374 °C (705 °F), la care această distincție se întrerupe. La presiuni scăzute, se obține încă un gaz; la presiuni mai mari, se obține un fluid supercritic cu proprietăți atât de gaz, cât și de lichid. Mergeți la temperaturi și mai ridicate și veți începe să vă ionizați moleculele, creând o plasmă: acea a patra stare a materiei.
uneori, dacă temperaturile/energiile particulelor sunt suficient de ridicate, creați o stare temporară cunoscută sub numele de plasmă quark-gluon: în care nici măcar protonii și neutronii individuali nu se pot forma în mod stabil. Acesta este analogul nuclear al unei plasme mai standard, în care electronii și nucleele nu reușesc să se unească cu succes pentru a forma atomi stabili și neutri. Brookhaven National Laboratory / RHIC
Deși aici se încheie majoritatea discuțiilor despre stările materiei, acesta nu este deloc sfârșitul poveștii științifice. În realitate, acesta este doar sfârșitul părții atomice a poveștii. Pentru restul, trebuie să ne aventurăm în lumea subatomică: lumea particulelor mai mici decât atomul. Am făcut deja cunoștință cu una dintre ele: electronul, care este una dintre particulele fundamentale ale Modelului Standard.
Electronii sunt particulele încărcate negativ din atomi care orbitează în jurul nucleului atomic, aceleași particule care sunt aruncate în aer la energii înalte pentru a forma o plasmă ionizată. Între timp, nucleul atomic este alcătuit din protoni și neutroni, care, la rândul lor, sunt compuși din câte trei quarci fiecare. În interiorul protonilor și neutronilor, gluonii, precum și perechile quark-antiquark, sunt în mod constant create, distruse, emise și absorbite în fiecare dintre aceste particule compozite. Este o lume subatomică dezordonată în interiorul fiecărui proton și neutron.
spinul său, dar la fel fac și gluonii, quarcii și antiquarcii de mare, precum și momentul unghiular orbital. Repulsia electrostatică și forța nucleară puternică atractivă, în tandem, sunt cele care conferă protonului dimensiunea sa, iar proprietățile amestecului de quarci sunt necesare pentru a explica suita de particule libere și compuse din Universul nostru. Protonii individuali, în general, se comportă ca fermioni, nu ca bosoni. APS/Alan Stonebraker
Iată punctul cheie care ne va conduce la a cincea și a șasea stare a materiei: fiecare particulă din Univers, indiferent dacă este o particulă fundamentală sau o particulă compozită, se încadrează într-una din cele două categorii.
- Fermion. Aceasta este o particulă care, atunci când îi măsurăm spinul (sau momentul unghiular intrinsec), obținem întotdeauna valori care sunt cuantificate în valori semiîntregi ale constantei lui Planck: ±1/2, ±3/2, ±5/2, etc.
- Boson. Aceasta este o particulă care, atunci când îi măsurăm spinul, obținem întotdeauna valori care sunt cuantificate în valori întregi ale constantei lui Planck: 0, ±1, ±2, etc.
Asta este. În tot Universul cunoscut, nu există particule – fundamentale sau compuse – care să se încadreze în altă categorie. Tot ceea ce am măsurat vreodată se comportă fie ca un fermion, fie ca un boson.
Modelul se supune la tot felul de legi de conservare, dar există diferențe fundamentale între particulele și antiparticulele fermionice și cele bosonice. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Electronii, fiind particule fundamentale cu spini de ±½, sunt evident fermioni. Protonii și neutronii, fiecare dintre ei fiind compuși din câte trei quarci, au, de asemenea, spini care nu pot fi decât ±½, deoarece spinul unui quarc se va opune întotdeauna spinului celorlalți doi. Cu toate acestea, dacă legați împreună un proton și un neutron, veți crea o particulă compozită cunoscută sub numele de deuteron: nucleul atomic al unui izotop greu al hidrogenului cunoscut sub numele de deuteriu.
Un deuteron, care este un fermion legat împreună cu un alt fermion, se comportă întotdeauna ca un boson. (De ce? Pentru că ±½ + ±½ poate fi egal doar cu -1, 0 sau +1: valorile de spin pentru un boson). Indiferent dacă avem de-a face cu particule fundamentale sau compuse, fermionii și bosonii prezintă o diferență esențială între ei. Da, spinii lor sunt diferiți, dar această diferență duce la o consecință uimitoare: fermionii se supun principiului de excludere Pauli; bosonii nu.
inclusiv moleculele organice și procesele biologice, este posibilă doar datorită regulii de excludere Pauli care guvernează electronii, interzicând ca oricare doi dintre ei să ocupe aceeași stare cuantică. Jenny Mottar
Principiul de excludere a lui Pauli este una dintre pietrele de temelie cheie care a fost descoperită în primele zile ale mecanicii cuantice. Acesta afirmă că nu pot exista doi fermioni care să ocupe exact aceeași stare cuantică unul față de celălalt.
Acest lucru intră în joc atunci când începem să punem electroni pe un nucleu atomic complet ionizat. Primul electron se va scufunda în configurația cu cea mai joasă energie posibilă: starea fundamentală. Dacă adăugați un al doilea electron, acesta va încerca, de asemenea, să coboare în starea fundamentală, dar va constata că aceasta este deja ocupată. Pentru a minimiza energia configurației sale, el coboară în aceeași stare, dar trebuie să aibă spinul inversat: +½ dacă primul electron a fost -½; -½ dacă primul a fost +½. Orice alt electron trebuie să intre într-o stare de energie din ce în ce mai mare; nu există doi electroni care să aibă exact aceeași configurație cuantică în același sistem fizic.
corespund unor stări diferite în cadrul unui atom de hidrogen. Din cauza naturii de spin = 1/2 a electronului, doar doi electroni (stările +1/2 și -1/2) se pot afla simultan în orice stare dată. PoorLeno / Wikimedia Commons Dar acest lucru nu este valabil pentru bosoni. Puteți plasa oricât de mulți bosoni în configurația de stare fundamentală doriți, fără restricții. Dacă creați condițiile fizice potrivite – cum ar fi răcirea unui sistem de bosoni și confinarea lor în aceeași locație fizică – nu există nicio limită a numărului de bosoni pe care îi puteți încadra în acea stare de cea mai joasă energie. Când ajungeți la această configurație, a mai multor bosoni aflați toți în aceeași stare cuantică de cea mai joasă energie, ați atins cea de-a cincea stare a materiei: un condensat Bose-Einstein.
Heliul, un atom format din doi protoni, doi neutroni și patru electroni, este un atom stabil format dintr-un număr par de fermioni și, prin urmare, se comportă ca un boson. La temperaturi suficient de scăzute, el devine un superfluid: un fluid cu vâscozitate zero și fără frecare între el și orice recipient cu care interacționează. Aceste proprietăți sunt o consecință a condensării Bose-Einstein. În timp ce heliul a fost primul boson care a atins această a cincea stare a materiei, ea a fost de atunci reprodusă pentru gaze, molecule, cvasi-particule și chiar fotoni. Ea rămâne și astăzi un domeniu activ de cercetare.
înainte (L), în timpul (mijloc) și după (R) tranziția către o stare BEC este completă. Graficul prezintă instantanee succesive tridimensionale în timp în care atomii s-au condensat din zone mai puțin dense de culoare roșie, galbenă și verde în zone foarte dense de culoare albastră spre albă. NIST/JILA/CU-Boulder
Fermionii, pe de altă parte, nu se pot afla toți în aceeași stare cuantică. Stelele pitice albe și stelele neutronice nu se prăbușesc din cauza principiului de excludere Pauli; electronii din atomii adiacenți (în piticele albe) sau neutronii care se învecinează (în stelele neutronice) nu se pot prăbuși complet sub propria lor gravitație, din cauza presiunii cuantice furnizate de principiul de excludere Pauli. Același principiu care este responsabil pentru structura atomică împiedică aceste configurații dense de materie să se prăbușească până la găuri negre; doi fermioni nu pot ocupa aceeași stare cuantică.
Atunci, cum se poate obține cea de-a șasea stare a materiei: un condensat fermionic? Credeți sau nu, povestea condensatelor fermionice merge până în anii 1950, cu o descoperire incredibilă a fizicianului Leon Cooper, laureat al premiului Nobel. Termenul pe care veți dori să îl rețineți este numit după el: Perechile Cooper.
electronii încărcați vor schimba ușor configurațiile sarcinilor pozitive din conductor, făcând ca electronii să experimenteze o forță relativă ușor atractivă. Acest lucru duce la efectul de împerechere a acestora pentru a forma perechi Cooper, prima formă de condensat fermionic descoperită vreodată. Tem5psu / Wikimedia Commons
La temperaturi scăzute, fiecare particulă tinde spre configurația sa de cea mai joasă energie, în starea fundamentală. Dacă luați un metal conducător și scădeți suficient de mult temperatura, doi electroni cu spini opuși se vor împerechea; această atracție minusculă va face ca electronii să se împerecheze ca o configurație mai puțin energetică și mai stabilă decât dacă toți electronii s-ar mișca individual.
Condensatele fermionice necesită temperaturi mai mici decât condensatele Bose-Einstein, dar se comportă, de asemenea, ca un superfluid. În 1971, s-a demonstrat că heliul-3 (cu un neutron mai puțin decât heliul standard) devine un superfluid la temperaturi sub 2,5 milikelvin, prima demonstrație a unui superfluid care implică doar fermioni. În 2003, laboratorul fizicianului Deborah Jin a creat primul condensat fermionic pe bază atomică, valorificând un câmp magnetic puternic împreună cu temperaturi foarte scăzute pentru a convinge atomii să intre în această stare căutată.
stări comune ale materiei, la temperaturi extrem de scăzute pot apărea condensate, cu proprietăți fizice unice. ©Johan Jarnestad/Academia Regală Suedeză de Științe
În plus față de cele trei stări standard ale materiei – solid, lichid și gaz – există o stare de energie mai înaltă a unei plasme ionizate, care apare acolo unde atomii și moleculele au prea puțini electroni pentru a fi neutre din punct de vedere electric. Cu toate acestea, la temperaturi foarte scăzute, cele două clase fundamentale de particule, bosonii și fermionii, se pot condensa fiecare împreună în felul lor particular, creând condensate Bose-Einstein sau, respectiv, Fermionice: a cincea și a șasea stare a materiei.
Pentru a crea un condensat Fermionic din materie, trebuie însă să se realizeze condiții extraordinare: temperaturi sub 50 de nanokelvin cu un câmp magnetic aplicat care variază în timp. Cu toate acestea, în vastul abis al spațiului, este eminamente posibil ca neutrinii (făcuți din fermioni) sau materia întunecată (care ar putea fi fermioni sau bosoni) să se aglomereze pentru a forma propriile lor condensate. Cheia pentru dezlegarea unuia dintre cele mai mari mistere ale Universului ar putea să se afle în cea mai rară și cea mai extremă dintre toate stările cunoscute ale materiei.
Urmăriți-mă pe Twitter. Consultați site-ul meu web sau o parte din celelalte lucrări ale mele aici.
.