Эти странные состояния вещества

Пожалуй, чаще всего в истории Нобелевская премия по физике вручалась за исследования различных состояний вещества и переходов между ними. Вот и в 2016 году премию получили трое физиков за «теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз вещества». Давайте попробуем разобраться в этой малопонятной формулировке. Это не так уж сложно, потому что с «фазовыми переходами и состояниями» вещества мы сталкиваемся ежедневно и чуть ли не ежечасно и вовсю пользуемся их полезными свойствами.

Ставя на плиту чайник, мы вряд ли задумываемся о том, что собираемся совершить самый настоящий фазовый переход - превратить часть воды в водяной пар. Тот же фазовый переход мы совершаем, наливая воду в формочки и помещая ее в морозильную камеру, где она превращается в лед.

Твердое, жидкое, газообразное состояние вещества - это его три основные фазы, или агрегатных состояния. А переход между агрегатными состояниями, превращение, например, льда в воду, воды в водяной пар или наоборот, и называется фазовым переходом.

К настоящему времени три основных состояния вещества настолько хорошо изучены, что о них можно сказать словами братьев Стругацких: «Это всем известно и никому не интересно».

Иначе обстоит дело с остальными фазовыми состояниями, которых, по последним данным, насчитывается более 20. А между тем именно с ними связаны самые перспективные, настоящие и будущие технологии человечества - от компьютеров до звездолетов.

Состояния вещества, известные к настоящему времени хотя бы теоретически, принято располагать в порядке возрастания температуры - от абсолютного нуля (-273 °С) до температуры внутризвездной плазмы в миллиарды градусов.

При абсолютном нуле материя распадается даже не на атомы и их составляющие, а на первичные, мельчайшие частицы - кварки. А вот при температуре всего на одну миллионную градуса выше абсолютного нуля вещество уже представляет собой некую «взвесь» из элементарных частиц и свободных, не объединенных в молекулы атомов. На следующих этапах медленного, в тысячные доли градуса, продвижения вверх по температурной шкале возникают такие необычные, но крайне полезные для нас свойства вещества, как сверхпроводимость и сверхтекучесть.

Только представьте себе: если жидкий гелий поместить в лабораторный сосуд и обеспечить сохранение необходимого температурного режима, он постепенно начнет ползти вверх по стенке и в конце концов выберется наружу.

За исследования сверхтекучести и сверхпроводимости и их теоретическое объяснение наши соотечественники получили Нобелевскую премию: Лев Ландау в 1962 году, Петр Капица в 1978-м и Виталий Гинзбург в 2003-м.

Вы спросите: для чего нужны сверхпроводящие материалы? Ответ может занять несколько страниц, поэтому перечислим лишь главное: электронные приборы, компьютеры, генерирование, передача и использование электроэнергии и термоядерной энергии. Ну и, разумеется, для научных целей: сверхпроводящие магниты создают невероятно мощные магнитные поля, что может быть использовано, к примеру, в ускорителях заряженных частиц.

Что же касается сверхтекучести, то есть состояния вещества при очень низких температурах, когда оно приобретает способность не только ползти вверх по стенкам сосуда, но и проникать сквозь мельчайшие отверстия и капилляры практически без трения, то она применяется пока только в лабораторных условиях. А вот когда человечество окончательно освоит космическое пространство, температура которого как раз и равна -273 °С, наступит черед и «сверхтекучих» технологий.

Более знакомые нам состояния вещества - твердое тело, жидкость, газ - имеют также любопытные промежуточные стадии. Например, жидкие кристаллы - состояние, в котором вещество одновременно проявляет свойства и твердого тела, и жидкости. Но этого состояния могут достигать далеко не все вещества, а лишь отдельные органические соединения со сложными молекулами. В определенном, достаточно узком интервале температур такие вещества обладают текучестью и могут принимать форму сосуда, в который они помещены; одновременно его молекулы упорядочены в пространстве, а это уже свойство твердого тела, кристалла. Как кристаллы такие вещества обладают уникальными оптическими свойствами, а текучесть позволяет придавать изделиям из этих веществ практически любую форму (и если у вас есть жидкокристаллический монитор, то теперь вы знаете, благодаря чему у вас такое потрясающее качество изображения).

Иное дело плазма. Физический термин «плазма» не имеет ничего общего со столь популярной нынче плазменной панелью телевизора. Плазма - это сильно ионизированный (то есть состоящий из заряженных частиц и ионов) газ при температуре не ниже нескольких тысяч градусов. В земных условиях естественную высокотемпературную плазму можно встретить лишь в виде молнии, в том числе шаровой.

В то же время плазма составляет 99% всего вещества во Вселенной, так как именно из нее состоят звезды и раскаленный межзвездный газ. Поэтому нет ничего удивительного в том, что современное научное сообщество уделяет изучению плазмы особое внимание.

Последние, самые высокие по температурной шкале состояния вещества можно встретить лишь в недрах звезд. Там, где материя подвергается воздействию не только температур в миллионы и миллиарды кельвинов, но и давления в миллиарды и триллионы атмосфер (белый карлик, нейтронная звезда), она вырождается в невероятно, невообразимо плотную стадию - нейтронное состояние, где атомы как бы сплющиваются, утрачивая свои электронные оболочки. Дальше «ломаются» и остатки атомов, превращаясь в так называемую кварк-глюонную плазму - состояние, в котором, предположительно, находилась вся Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва.

Это состояние удалось получить на Земле (правда, на очень короткое время, миллионные доли секунды) в 2010 году в Брукхейвенском ускорителе заряженных частиц. Температура кварк-глюонной плазмы при этом оказалась равной четырем триллионам (10 в 12-й степени) градусов.

Теперь считается, что это максимально возможная температура для вещества во Вселенной. Если температура еще выше, то материя как таковая перестает существовать вообще и полностью переходит в лучистую энергию.

Фазовый переход - это скачок, при котором вещество переходит из одного качественного состояния в другое. И если для описания превращения льда в воду, а жидкости в пар достаточно знания обычных законов термодинамики, то понимание фазовых переходов в более интересные и загадочные состояния, такие как сверхпроводимость или сверхтекучесть, требует иных формул, иного математического аппарата.

Именно за применение нестандартных математических методов в теории низкотемпературных состояний и была вручена последняя Нобелевская премия по физике. Для моделирования процессов, возникающих при низких температурах в поверхностных слоях жидкостей («тонких пленках»), лауреаты использовали топологию.

Топология - это раздел математики, который описывает свойства вещества, остающиеся неизменными при его деформации. Мы можем, например, взять кусок пластилина и вылепить из него тарелку. Для этого нам не нужно разрывать кусок, и свойства пластилина останутся неизменными. Но для превращения пластилиновой тарелки в чашку с ручкой неизбежен разрыв - то есть фазовый переход из одного качественного состояния в другое.

Не зря говорят, что все гениальное - просто. Оказалось, что с помощью топологических методов можно описать не только превращение тарелки в кружку, но и более тонкие и важные физические процессы. Лауреаты Нобелевской премии 2016 года уже получили удивительные результаты, благодаря которым открылись новые направления исследований сразу в нескольких областях современной физики.

И такой удивительный, обещающий новые технологические чудеса мир низких температур стал для нас еще ближе.

Ольга СТРОГОВА