До XX века ученые считали, что все вещества могут находиться в одной из трех фаз — газообразной, жидкой или твердой.Именно эти фазы и названы агрегатными состояниями вещества.
Однако современная наука шагнула далеко вперед и теперь известно о существовании десятка агрегатных состояний вещества, а по поводу нескольких состояний идут жаркие споры о том, считать их агрегатными или нет.
Сейчас все мы уверенно вспоминаем целых четыре агрегатных состояния, которые теоретически могут принимать любые вещества. Это газ, жидкость, твердая фаза и плазма. В каждой из фаз одно и то же вещество по-разному ведет себя в физическом и химическом отношении, что и дает право говорить именно о качественно разных состояниях.
В газе молекулы или атомы вещества находятся на расстояниях, в десятки раз превышающих размеры частиц. Такое состояние возможно выше температуры кипения данного вещества — в теории можно «вскипятить» и превратить в пар даже самые тугоплавкие металлы. Газы не могут сохранять форму и объем — они полностью занимают предоставленное им пространство. При этом любой газ очень легко подвергнуть сжатию, а при приложении определенных сил это сжатие приведет к сжижению.
В жидкости расстояния между молекулами примерно сравнимы с размерами самих частиц, поэтому жидкости почти не сжимаются и не заполняют весь предоставленный им объем, как это делают газы. При повышении температуры жидкость превращается в газ, а при понижении — в твердое тело. Это правило соблюдается не всегда, о чем речь пойдет несколько ниже, при описании сверхкритического флюида.
В твердых телах атомы, ионы или молекулы расположены в строгом порядке, образуя кристаллическую решетку. Именно поэтому твердые тела могут сохранять свою форму и обладают такими качествами, как твердость, прочность, пластичность и т. д.
Плазма — это высокотемпературное состояние вещества, обладающее уникальными характеристиками. В плазме нельзя говорить об атомах или молекулах, так как происходит частичная или полная ионизация, то есть потеря атомами электронов. Проще говоря, в плазме существуют отдельно электроны, ионы (атомы, потерявшие внешние электроны) и даже «голые» атомные ядра (это возможно при крайне высоких температурах).
Именно эти четыре фазы веществ окружают нас в обычной жизни. Однако мало кто знает, что существуют еще более экзотические агрегатные состояния, в которых вещество приобретает удивительные свойства.
Сверхкритический флюид — нечто среднее между жидкостью и газом. Такое состояние получается при определенных давлениях и температурах, наблюдаемых в так называемой критической точке. Сверхкритический флюид очень плотен, но его вязкость близка к вязкости газов, он обладает высочайшей растворяющей способностью и крайней текучестью. Интересно, что вещества в этом состоянии (например, сверхкритическая вода) не являются лабораторной диковинкой, а активно применяются в различных областях промышленности.
Конденсат Бозе — Эйнштейна представляет собой бозонную жидкость, охлажденную почти до абсолютного нуля («почти» — это миллионные доли градуса выше нуля). Вещество в таком состоянии начинает «искать» наиболее выгодную, с энергетической точки зрения, позицию, вследствие чего может перемещаться без трения, вытекать из сосудов по стенкам и т. д.
Еще одним интересным агрегатным состоянием вещества является фермионный конденсат. Как понятно из названия, он состоит из фермионов (частиц, составляющих все вещество, — электронов, протонов, нейтронов и т. д., а также соединенных особым образом пары атомов), охлажденных до низких температур. Вещество в этом состоянии обладает сверхпроводящими свойствами, сохраняющимися при повышении температуры.
Ряд самостоятельных агрегатных состояний вещества объединяется в так называемую вырожденную материю. Сюда относятся ферми-газ, нейтронное вещество (из него состоят нейтронные звезды, плотность такого вещества доходит до 100 миллиардов тонн в кубическом сантиметре!), кварк-глюонная плазма («облако», состоящее из свободных кварков и глюонов, такое состояние возможно только при столкновении некоторых элементарных частиц с очень высокой энергией) и еще несколько совсем уж необычных и непонятных даже для самих ученых состояний.
Все это — самые исследованные и вполне объяснимые, с точки зрения современной науки, агрегатные состояния вещества. Однако существует еще множество состояний, которые пока не изучены должным образом и официально не причислены к фазовым состояниям вещества. Только одни их названия рождают самые фантастические ассоциации: сильно и слабо симметричное вещество, сверхтвердое тело, странное вещество…
К сожалению (хотя в некоторых случаях — к счастью), пока мы не умеем получать абсолютно все состояния вещества в земных лабораториях. Поэтому какие-то из них приходится изучать косвенно, исследуя космические дали или сталкивая частицы в мощнейших ускорителях. Но вот что интересно — ученые постоянно открывают все новые агрегатные состояния вещества, обладающие самыми удивительными свойствами, и трудно сказать, когда закончится этот процесс открытий.
