มีกี่รัฐและพวกเขาคืออะไร?

ในโรงเรียนคุณอาจได้เรียนรู้ว่ามีสามหรือสี่รัฐ สถานะคลาสสิกของสสาร แต่เมื่อความเข้าใจของเราเกี่ยวกับจักรวาลได้ขยายออกไปเราได้ตระหนักว่าสสารสามารถจัดระเบียบตัวเองได้หลายวิธีมากกว่าที่เราจินตนาการไว้ แม้ว่าจะยังคงไม่เห็นด้วยกับจำนวนรัฐที่มีอยู่จริง แต่กว่า 15 คนก็แสดงให้เห็นในห้องปฏิบัติการหรือมีหลักฐานสถานการณ์เพียงพอที่ทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์บานพับอยู่กับพวกเขาที่มีอยู่

สถานะของสสารคืออะไร?

สถานะของสสารคือเมื่อปริมาณของสารที่มีคุณสมบัติทางเคมีและทางกายภาพที่สม่ำเสมอ เป็นไปได้ที่สารนี้จะไปจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งผ่านการเปลี่ยนแปลงของเฟส เราสามารถนึกถึงการละลายของลูกบาศก์น้ำแข็งเป็นการเปลี่ยนเฟสอย่างง่าย

สถานะคลาสสิกของสสาร: ของแข็ง, ของเหลว, ก๊าซ, พลาสมา

ในรัฐคลาสสิกของสสารเรามีของแข็งของเหลวก๊าซและพลาสมา สถานะเหล่านี้ถูกสังเกตในสภาวะปกติในชีวิตประจำวันและถูกกำหนดในแง่ของปริมาตรรูปร่างและคุณสมบัติทั่วไปของสาร อันแข็งมีรูปร่างและปริมาตรและอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบของมันเต็มไปด้วยกัน ในของเหลวอนุภาคมีแรงที่อ่อนแอกว่าระหว่างพวกเขาและด้วยเหตุนี้พวกเขาจึงมีปริมาตรคงที่ (ส่วนใหญ่) แต่ใช้รูปร่างของเต้ารับที่พวกเขาเติม

ทั้งคู่แก๊สและพลาสมาไม่มีรูปร่างคงที่หรือปริมาตร ความแตกต่างคือพลาสม่าเป็นตัวนำไฟฟ้าผลิตกระแสไฟฟ้าและตอบสนองอย่างรุนแรงต่อแรงแม่เหล็กไฟฟ้า และในขณะที่เราทุกคนคุ้นเคยกับก๊าซพลาสมาเป็นเรื่องธรรมดาและเห็นได้ในฟ้าผ่าประกายไฟแสงฟลูออเรสเซนต์ดาวและเปลวไฟบางอย่างเช่นกัน

เราจะเห็นว่ารัฐทั้งสี่นี้อาจไม่ได้เป็นตัวแทนของหมวดหมู่ทั้งหมดที่อยู่ข้างนอก ทั้งของแข็งและของเหลวมีหมวดหมู่ย่อยและบางส่วนดูเหมือนจะข้ามคำจำกัดความแคบ ๆ ที่เราให้ไว้ผลึกเหลวและแก้วเหลวเป็นหนึ่งในรัฐที่แปลกประหลาดเหล่านี้ แต่ไม่ได้อยู่คนเดียว

“ เราทุกคนสังเกตเห็นในชีวิตประจำวันอย่างน้อยสามรัฐของสสาร: ของแข็งของเหลวและก๊าซ แต่แม้ในสิ่งที่เราจะพิจารณาว่าเป็นรัฐที่รู้จักกันดีธรรมชาติธรรมชาติสามารถหลอกเราได้” ดร. Guillaume Nataf จากภาควิชาวิทยาศาสตร์วัสดุและโลหะ

"ตัวอย่างเช่น IG โนเบลได้รับรางวัล John Mainstone และ Thomas Parnell ทำการทดลองระยะยาวที่วัดการไหลของชิ้นส่วนของสนาม- น้ำมันดิน - ในช่วงหลายปีที่ผ่านมาแสดงให้เห็นว่าแม้ที่อุณหภูมิห้องบิทูเมนไหลและดังนั้นจึงเป็นของสถานะของเหลวของสสาร ตัวอย่างที่น่าสนใจอื่น ๆ มีมากมาย”

ในศตวรรษที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ได้ตระหนักว่ามีรัฐมากกว่าที่เราคุ้นเคย (มากหรือน้อย) คุ้นเคย อย่างไรก็ตามในการค้นหาและศึกษาพวกเขาเราต้องไปสุดขั้ว ความดันความร้อนและความเย็นสามารถผลักดันสารไปสู่การกำหนดค่าด้วยคุณสมบัติที่แปลกประหลาด

สถานะที่ห้าของสสาร

สถานะที่ห้าของสสารคือคอนเดนเสท Bose-Einsteinซึ่งเกิดขึ้นเฉพาะในก๊าซเจือจางของอนุภาคที่รู้จักกันในชื่อ bosons และเมื่ออุณหภูมิใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์

ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ก๊าซทั้งหมดหยุดทำงานเหมือนทำจากอนุภาคแต่ละตัวและทำตัวเหมือนระบบควอนตัมขนาดมหึมาเดียว มันได้รับเฉพาะในสถานการณ์ที่มีความหนาแน่นต่ำมาก (หนึ่งร้อยพันความหนาแน่นของอากาศ) และอุณหภูมิต่ำเป็นพิเศษ (ส่วนหนึ่งขององศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์) ที่เงื่อนไขการ จำกัด นี้เอฟเฟกต์กลไกควอนตัมมีความโดดเด่นและเราเห็นสถานะที่แปลกประหลาด

superfluids, supersolids และ superconductors

อยู่ที่อุณหภูมิต่ำเป็นพิเศษเรายังสามารถสัมผัสได้Superfluids- สถานะของเหลวที่สองที่สารสามารถไหลได้โดยไม่มีแรงเสียดทาน หนึ่งในผลที่น่าสงสัยที่สุดของรัฐนี้คือ superfluids สามารถปีนออกจากภาชนะที่พวกเขาวางไว้

คุณสามารถมีได้supersolidsผู้ที่เคลื่อนไหวโดยไม่มีแรงเสียดทานและตัวนำยิ่งยวดซึ่งเป็นวัสดุที่มีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ต่ำกว่าอุณหภูมิที่แน่นอน นอกจากนี้ยังมีRydberg Polaronsที่ใดที่เป็นไปได้ที่จะมีอะตอมภายในอะตอมอื่น ๆ

ภายใต้แรงกดดัน

ในอีกด้านหนึ่งของเครื่องชั่งที่อุณหภูมิสูงเราเริ่มต้นด้วยของเหลวที่สำคัญยิ่งเมื่อมันร้อนมากและความดันสูงพอที่จะแยกแยะได้ว่าของเหลวเป็นก๊าซหรือของเหลว การเพิ่มแรงกดดันอย่างมีนัยสำคัญเราไปถึงแกนกลางของดาวแคระขาวซึ่งน่าจะทำมาจากเรื่องอิเล็กตรอนลดลง- ในดาวเหล่านี้อิเล็กตรอนอยู่ในรูปแบบก๊าซที่เสื่อมสภาพซึ่งเป็นตัวนำความร้อนที่สมบูรณ์แบบและมีพฤติกรรมเหมือนของแข็ง

เราไปถึงแรงกดดันต่อไปอย่างต่อเนื่องเรื่องนิวตรอนลดลงซึ่งเห็นได้เฉพาะในดาวนิวตรอน ที่นั่นโปรตอนและอิเล็กตรอนเต็มไปด้วยกันอย่างแน่นหนาจนกลายเป็นนิวตรอนเนื่องจากการสลายตัวของเบต้า นอกเหนือจากสถานะนั้นมีพลาสมา Quark-Gluonเมื่อแม้แต่การสร้างบล็อกของอนุภาคก็ไม่ได้ถูก จำกัด ไว้ในการกำหนดค่าที่แน่นหนาอีกต่อไป

ฟิสิกส์เรื่องย่อ

เขตข้อมูลที่มีความอุดมสมบูรณ์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการค้นพบรัฐใหม่คือสสารที่รวมตัวกันไม่ว่าจะเป็นของแข็งหรือของเหลว บางคนสามารถพบได้ในตัวนำยิ่งยวดและสร้างขึ้นจาก quasiparticles ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ทำตัวเหมือนอนุภาคโดยไม่ต้องเป็นหนึ่ง ที่การกระตุ้นและหยดน้ำรูปแบบในลักษณะที่คล้ายกันโดยอิเล็กตรอนสร้างสถานะที่ถูกผูกไว้ด้วย "หลุม" ที่มีประจุบวกซึ่งควรเป็นอิเล็กตรอน exciton ทำงานเหมือนอะตอมที่เรียบง่ายในขณะที่หยดน้ำเป็น quasiparticle แรกที่แสดงพฤติกรรมคล้ายของเหลว

คำถามควอนตัม: อะไรคือสถานะใหม่ของสสาร?

คุณสมบัติควอนตัมยังมีความสำคัญต่อสถานะของสสาร วิธีที่สิ่งต่าง ๆ เช่นการหมุนของอนุภาคอาจนำไปสู่สถานะที่แตกต่างกันเช่นของเหลวหมุนควอนตัมหรือน้ำแข็งหมุน ดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจที่นักวิจัยกำลังค้นหาการกำหนดค่าใหม่ในขณะที่ตรวจสอบปรากฏการณ์อื่น ๆ

นอกจากนี้ยังมีการอภิปรายมากมายเกี่ยวกับสิ่งที่ถือเป็นสถานะใหม่ของสสารและหากการกำหนดค่าควอนตัมที่แปลกประหลาดภายในของแข็งสามัญควรได้รับการพิจารณารัฐหรือไม่ นี่คือการอภิปรายที่น่าสนใจและทำให้ยากที่จะให้คำตอบที่ตรงไปตรงมาเกี่ยวกับจำนวนรัฐที่อยู่ที่นั่น

“ โดยทั่วไปมีการกล่าวกันว่าเพื่อที่จะเข้าใจเรื่องมีความจำเป็นที่จะต้องมีคำจำกัดความที่แม่นยำของรัฐที่แตกต่างกัน” ดร. นาฟฟ์บอกกับ Iflscience "อย่างไรก็ตามการรู้ว่ามีบางสิ่งบางอย่างอยู่ในสถานะใหม่ของสสารหรือไม่ไม่จำเป็นต้องช่วยในการทำความเข้าใจแนวคิดพื้นฐานใหม่หรือค้นหาแอปพลิเคชันสำหรับมันดังนั้นฉันเชื่อว่าความก้าวหน้าสามารถทำได้อย่างอิสระจากระบบการจำแนกประเภท"

ในอนาคตอันใกล้สถานะใหม่ของสสารจะถูกค้นพบอย่างแน่นอนและบางทีแอปพลิเคชั่นใหม่ที่น่าตื่นเต้นก็จะถูกปลดล็อคจากแอปพลิเคชั่นที่เราคุ้นเคยอยู่แล้ว