Переход в состояние конденсата

Пятое состояние вещества – это не заварной крем, но от этого оно не становится менее странным. В хорошие дни ученым приходят в голову удачные и приятные на слух термины, такие как «плазма», «фотон», «кварк». Но нередко бывает так, что они называют свое открытие словом, которое никто даже на трезвую голову не сможет быстро повторить пять раз подряд. Пятое состояние вещества носит название конденсата Бозе – Эйнштейна.

Это состояние соответствует самому нижнему концу температурной шкалы и расположено дальше всего от плазмы. Прежде чем мы вплотную займемся конденсатом, имеет смысл немного порассуждать о температуре. Что такое температура? В обыденном понимании это количество тепла. Чтобы что‑то нагреть, надо добавить энергии. Но что при этом происходит? Атомы и молекулы вещества начинают двигаться быстрее. Даже в твердом теле атомы энергично колеблются. В жидкости это движение происходит еще более активно, а уж в газе они носятся как ракеты.

Измеряя с помощью термометра температуру своего тела (около 37 °С), вы измеряете среднюю энергию движения частиц, из которых состоите. Если вы сомневаетесь, что чем быстрее движется тело, тем выше его энергия, представьте себе, что в вас сначала попадает теннисный мяч, летящий со скоростью 5 километров в час, а затем – со скоростью 500 километров в час. В момент удара разница в энергии будет очень ощутимой.

Если вы до сих пор не знали, что температура – это движение атомов, то могли бы, пожалуй, представить себе, что тела можно охлаждать до бесконечности при наличии подходящего холодильника. На самом же деле для замедления движения атомов и молекул существует предел. Они в конце концов просто останавливаются. Такая температура называется абсолютным нулем. На практике ее достичь невозможно, потому что квантовые частицы не могут полностью остановиться.

Эта самая низкая температура составляет примерно ‑273,16 °С. Правда, ученые часто используют другую температурную шкалу, в которой градусы точно такие же, как в шкале Цельсия, но за нулевую отметку принимается абсолютный ноль. Это так называемая шкала Кельвина. 0 °С на ней будет соответствовать примерно 273 К. (Для педантов сообщим, что единицы шкалы Кельвина, в отличие от систем Цельсия и Фаренгейта, называются не градусами, а кельвинами. Таким образом, точка замерзания воды обозначается на ней как 273,16 К, а не 273,16 °К.)

Когда температура вещества подходит к абсолютному нулю, оно начинает вести себя очень необычно. Некоторые вещества превращаются в конденсаты (с технической точки зрения существуют две разновидности: конденсат Бозе – Эйнштейна и фермионный конденсат, но мы в такие дебри залазить не будем). Конденсат – это состояние материи, в котором частицы теряют свои индивидуальные черты. Отсюда возникают такие необычные свойства, как сверхтекучесть, при которой вещество не испытывает никакого внутреннего сопротивления при движении. Жидкость в состоянии сверхтекучести может пробраться через любую сколь угодно узкую щель, поскольку ее молекулы практически не колеблются и не создают трения. Если привести такую жидкость в сосуде в круговое движение, она будет вращаться бесконечно. Еще одним интересным свойством веществ в таком состоянии является сверхпроводимость, то есть полное отсутствие электрического сопротивления.

Но самое удивительное – это реакция веществ в состоянии конденсата Бозе – Эйнштейна на свет. Поскольку конденсат занимает промежуточное положение между обычной материей и самим светом, он может замедлять скорость света или вообще останавливать его. В связи с этим конденсат иногда называют «темным» состоянием. Этот навевающий таинственность термин очень хорошо подходит такому странному феномену.

Всё о материи

Итак, существуют пять состояний вещества. На самом верху располагается плазма, состоящая из ионов высокой энергии. Далее следует газ, жидкость и твердое вещество. Наконец, при предельно низкой температуре возникает конденсат Бозе – Эйнштейна. Казалось бы, это довольно заурядная и скучная тема, но вспомните, что мы пришли к ней, рассматривая один‑единственный волос.

Внимательно присмотритесь к нему еще раз. Вы увидите в нем молекулы, состоящие из атомов. В каждом атоме есть состоящее из протонов и нейтронов (за исключением водорода, атом которого настолько мал, что его ядро представляет собой всего один протон) ядро, которое окружено электронным облаком. Каждая частица внутри ядра состоит из трех кварков. Из этих элементарных кирпичиков построено все ваше невообразимо сложное тело.

Вы – то, что вы едите

Но откуда же взялись все эти вещества? Где были эти атомы, прежде чем попасть в ваше тело? На протяжении веков они циркулировали по всей планете, вступая в самые разнообразные реакции. Например, тело человека содержит значительное количество углерода. Откуда он появился? Из употребляемых в пищу растений и животных, а в них он попал из других растений и животных. Если пройти по этой пищевой цепи до самого конца, то окажется, что источником всего углерода являются растения. А откуда они его взяли? Из воздуха.

Растения обладают удивительным свойством добывать для себя строительные материалы из воздуха. Мы привыкли считать углекислый газ чем‑то вредным, поскольку он создает парниковый эффект, но учтите, что основное количество углерода, содержащегося в растениях, поступает к ним из атмосферной двуокиси углерода. Это так же верно, как и то, что растения производят кислород, благодаря которому мы можем дышать.

Итак, прежде, чем попасть в организм животных и растений, часть атомов находилась в воздухе, часть в земле и часть в воде. Давайте заглянем еще дальше. Часть атомов входила в состав тел людей, живших до нас. В человеческом организме содержится так много атомов (7 × 1027), что рано или поздно многие из них обязательно окажутся в других людях. В вашем теле есть атомы королей и королев, доблестных рыцарей и придворных шутов.

Некоторые утверждают, что при каждом вдохе в наши легкие попадают один‑два атома, которыми дышала Мэрилин Монро. Да, атмосфера достаточно сильно перемешивается, и часть воздуха, который выдохнули другие люди, попадает к нам в легкие. Но атомы, побывавшие в груди у Мэрилин, вряд ли распространяются по земному шару с такой скоростью, чтобы попасть в организм абсолютно каждого человека. Кому‑то они достанутся, а кому‑то и нет. Однако через несколько сотен лет можно будет с уверенностью сказать, что молекулы Мэрилин присутствуют в теле каждого человека.