Брайан Клегг - Вселенная внутри вас

Необходимо заранее дать одно пояснение, чтобы устранить возможную путаницу (особенно если учесть, что главным предметом рассмотрения в нашей книге является человеческое тело). Плазма, которую мы в данном случае обсуждаем, не имеет ничего общего с плазмой крови. Плазма крови – это бесцветная жидкость, в которой плавают кровяные тельца. Плазма в физическом смысле – это четвертое состояние материи, следующее после газообразного. (Вообще-то, и в том и в другом случае данный термин выбран не слишком удачно, потому что первоначально в переводе с греческого это слово означало нечто «вылепленное», «оформленное», а мы в обоих случаях имеем дело скорее с бесформенными субстанциями.)

Чтобы убедиться в том, насколько плохо мы понимаем, что такое плазма, достаточно взглянуть в толковый словарь, который утверждает, что это «газ, содержащий ионы вместо атомов и молекул». Давайте пока отвлечемся от ионов и обратим внимание на расплывчатость и неопределенность толкования. Описывать плазму как газ – это то же самое, что назвать жидкость «очень плотным газом, обладающим текучими свойствами». Конечно, плазма больше похожа на газ, чем на жидкость, но все же это нечто совершенно иное – особое состояние материи.

Я уже упомянул о том, что плазма представляет собой более очевидное состояние вещества, чем газ, потому что ее можно увидеть невооруженным глазом. Солнце представляет собой гигантский шар, состоящий из плазмы. В любом пламени содержится плазма, хотя обычное пламя, с которым мы встречаемся в быту, – это все же смесь очень холодной плазмы и газов. Если газ – это состояние, в которое переходит жидкость при нагревании, то плазма – это состояние, в которое переходит газ при продолжении нагревания.

По мере того как газ становится все горячее и горячее, электроны в его атомах приобретают все больше энергии. В конце концов ее становится достаточно для того, чтобы электрон оторвался от атома и покинул его. У большинства атомов есть природное свойство либо терять, либо приобретать электроны. Одни атомы легко теряют электроны и за счет этого превращаются в положительно заряженные ионы. Другие легко заимствуют лишние электроны и превращаются в отрицательно заряженные ионы. Таким образом, ион – это атом, имеющий электрический заряд за счет того, что у него либо не хватает электронов, либо имеются лишние. Вещество, нагретое до такого состояния, что его атомы превращаются в ионы, называется плазмой.

Обычно считается, что переход вещества из одного состояния в другое зависит от температуры. Охладите воду – и получите лед. Нагрейте кусок металла – и он расплавится, станет жидким. Однако такой же эффект на некоторые материалы оказывает и давление. Тик-сотропные краски, не дающие подтеков, представляют собой вязкий гель, но при перемешивании переходят в жидкое состояние. Однако нагляднее и забавнее всего влияние давления на состояние вещества можно продемонстрировать на примере заварного крема.

Смешайте порошок для заварного крема «Custard» с водой. У вас получится густая желтая жидкость. Налейте ее в чашку. А теперь опустите в жидкость большой и указательный пальцы на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга и сожмите их. Под давлением пальцев жидкость превращается в сухой порошок. До тех пор пока давление сохраняется, он будет находиться в твердом состоянии. Вы можете даже вытащить его из чашки. Но как только давление ослабнет, он снова станет жидким и стечет с пальцев.

Если заполнить такой жидкостью бассейн, по ее поверхности можно будет даже ходить. Чтобы увидеть это воочию, зайдите на сайт www.universeinsideyou.com, выберите раздел Experiments и в нем видеофайл Walking on Custard

Плазма очень распространена во Вселенной. В конце концов, все звезды – это огромные сгустки плазмы. Предполагается, что 99 процентов материи в известной нам Вселенной находится в форме плазмы. Отчасти это объясняется тем, что она хорошо видна. Хотя по плотности плазма напоминает газ, она имеет большие отличия. Например, газы обычно являются хорошими электрическими изоляторами, а плазма – прекрасный проводник.

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.