Kvantinė fizika: Agregatinės būsenos

Jei perskaitę temos pavadinimą abejojote ar atidaryti šį straipsnį, čia įėję pasielgėte teisingai nes toks, atrodytų, paprastas dalykas kaip agregatinės būsenos yra vienas iš didžiausių stebuklų pasaulyje. 🙂

Agregatinės būsenos tikrai kiekvienam girdėtas dalykas. Dauguma net galėtų jas išvardinti. Mokykloje (9 kl.) giliai išnagrinėjamos 3 agegatinės būsenos: kietoji, skystoji ir dujinė. Viena nuo kitos jos skiriasi dalelių judrumu ir temperatūra, bet ištiesų vienintelis jų skirtumas yra skirtinga energija. Kuo daugiau energijos turi medžiagos dalelės, tuo jos greičiau juda ir tuo medžiaga šiltesnė.

Iliustracijoje viršuje matome pavaizduotą ketvirtąją agregatinę būseną – plazmą. Daugelis iš mūsų yra apie ją girdėję (bent iš plazminių televizorių). Natūraliai plazma susidaro ypač aukštoje temperatūroje, tačiau ją taip pat galima gauti cheminiais ar fizikiniais metodais. Plazma yra jonizuotos dujos, tai reiškia, kad nuo dujų atomų branduolių atplėšti elektronai. Tai plazmai suteikia neįprastų elektrinių savybių, todėl ji naudojama pramonėje. Tačiau už televizorių slypi labai svarbi fizikinė plazmos prasmė. Žinodami, kad elektronai atplėšiami nuo branduolių suprantame, kad tai reiškia, jog plazmos dalelių energija tokia didelė, kad nugali elektromagnetinę saveiką!

Sužinoję apie plazmą toliau kalbėsime apie agregatines būsenas. Na plazma galime pavadinti vieša paslaptimi, tačiau tikrai nedaug kas žino, kad be plazmos egzistuoja kita agregatinė būsena. Kvarkų-gluonų plazma. Kai temperatūra ypatingai didelė, nugalima stiprioji sąveika, rišanti neutronus ir protonus branduolyje ir kvarkus juose. Ši agragatinė būsena labia svarbi eksperimentinėje fizikoje, nes dėl tam tikrų stipriosios sąveikos savybių neįmanoma izoliuoti kvarko, todėl sunku juos tirti, bet kvarkų – gluonų plazmos būsena, tai tarsi “kvarkų sriuba” jie nebesudaro mezonų ir barionų ir tirdami šią plazmą praktiškai tiesiogiai tiriame kvarkų savybes.

Fizika gyvenantiems žmonėms pastaroji pastraipa turėjo būti tarsi gyvenimo revoliucija, bet čia dar nebaigsime. Stebuklai tik prasideda.

Nors daugelį turbūt nustebino žinia apie 5 agregatinės būsenos egzistavimą, bet tikrai labiau nustebsite sužinoję apie 6 (deja šį kart paskutinę*) agregatinę būseną.

Visatoje vyrauja harmonija. Viskas turi atsvarą (pvz. Materija ir antimaterija :D). Taigi jei žinome, kad yra keistų medžiagos būsenų aukštose temperatūrose, suprantama kažkas slypės ir šaldant. Temperatūrai kylant materija būna: dujos, plazma, kvarkų-gluonų plazma, šaltėjant: skystoji, kietoji ir Bozės-Einšteino Kondensatas. (Pats pavadinimas jau intriguoja)

Jei kaitinant medžiagą dingsta ryšiai tarp dalelių, ją šaldant jie stiprės, bet kai pasieksim ypatingai mažą temperatūrą (10^17 K) atomai praras įprastas savybes (tiksliau jos taip susilpnės, kad taps matomos ir dominuos kvantinės savybės). Čia į pasakojimą ateina kvantinę mechaniką atstovaujantis bangos-dalelės dualumas. Atomai taps bangomis, nebegalėsime pasakyti kur jie yra, tik nurodyti tikimybę kur juos galėtumėm rasti. Atomai-bangos perkloja viena kitą, taip suformuodamos milžinišką kvantinę sistemą. Kiekvienas atomas yra visi kiti vienu metu, nes jų parametrai tampa identiški, nebegalime atskirti pavienio atomo. Pasakodamas apie šį reiškinį mėgstu juokauti, kad gauname gėrimo stiklinės dydžio ATOMĄ. Pagalvokite apie kitas kvantinės mechanikos savybes – tunelinį efektą, teleportaciją, susiejimą, superpoziciją. Bozės-Einšteino kondensatas yra antra jungtis kuri jungia kvantinį ir mūsų pasaulį (pirmoji – dvigubo plyšio eksperimentas). Na skeptiškai nusiteikusiems dogmatikams pasakysiu, kad šis kondensatas jau 1995 metais buvo pagamintas ir tyrinėtas, taigi darosi vis sunkiau neigti fiziką ir vis lengviau įrodyti jos teisumą. Galbūt neužilgo ateis GUT laikas (angl. Grand Unified Theory – teorija paaiškinsianti viską). 🙂

Iliustracijoje viršuje matome, kaip nuo temperatūros priklauso medžiagos atomų banginės savybės. Paskutinis paveikslėlis rodo kaip elgtųsi medžiagos atomai esant absoliutiniam nuliui (-273,15 laipsnių celcijaus arba 0 K), tačiau suprantama, kad tokios temperatūros pasiekti neįmanoma.

Straipsnio autorius: Xpoint.