Czy naukowcy odkryli nowy stan materii?Czas czytania: 13 min

Wieści ze świata nauki to cykl tekstów skupiających się na najnowszych doniesieniach naukowo-badawczych z różnorodnych dziedzin. W tekstach tych omawiane są bieżące artykuły publikowane w prestiżowych czasopismach naukowych, a także ich znaczenie dla stanu współczesnej wiedzy. Powszechnie znana jest sentencja autorstwa Newtona, zgodnie z którą to, „co my wiemy, to tylko kropelka. Czego nie wiemy, to cały ocean.” Celem tekstów publikowanych w tym dziale jest przybliżenie czytelnikom właśnie tych kropelek.

Nieustanny rozwój nauki przejawia się między innymi w uzupełnianiu dotychczas obowiązujących modeli o kolejne elementy, które mają za zadanie wyjaśniać zjawiska dotąd niewyjaśnione lub rzucać nowe światło na obecny stan wiedzy.

Nowa cząstka elementarna

Jednym z największych przełomów tego rodzaju było odkrycie w 2013 roku bozonu Higgsa, który stał się ważnym uzupełnieniem współczesnej wiedzy w zakresie fizyki cząstek. Dzięki odkryciom z zakresu fizyki kwantowej stworzono model standardowy, który opisuje teorię fizyki cząstek elementarnych. W modelu tym omówiono grupy cząstek oraz trzy oddziaływania podstawowe (nie bierze się pod uwagę grawitacji), a zależności między elementami modelu standardowego opisane są za pomocą relacji matematycznych¹. Choć przez długi czas wydawało się, że teoria ta jest wystarczającym zbiorem twierdzeń i wyjaśnień na temat Wszechświata i jego elementów składowych, to jednak brakowało w niej pewnego rozwinięcia, które umożliwiłoby wyjaśnienie m.in. istnienia masy. Odkrycie bozonu Higgsa spowodowało nie tylko konieczność przeformułowania modelu standardowego, ale przede wszystkim pozwoliło na wyjaśnienie wielu dotychczas niejasnych zjawisk².

Piąta siła natury

Podobnie sytuacja wyglądała w przypadku oddziaływań występujących w przyrodzie. Dotąd wymieniano cztery oddziaływania podstawowe, w skład których wchodziły: oddziaływania silne, słabe, elektromagnetyczne i grawitacyjne³. Oddziaływania słabe odpowiadają m.in. za rozpad beta oraz związaną z nim radioaktywność, silne, nazywane również jądrowymi, odnoszą się do wiązania kwarków w obrębie hadronów, tzn. umożliwiają istnienie takich cząstek jak proton i neutron (są to hadrony składające się z mniejszych cząstek elementarnych). Oddziaływania elektromagnetyczne odpowiadają za siły działające między cząstkami posiadającymi ładunek elektryczny, tzn. umożliwiają przepływ prądu elektrycznego, ale również nadzorują promieniowanie świetlne. Należy również wspomnieć o możliwościach grawitacyjnych, które odpowiadają za wzajemne przyciąganie ciał fizycznych, proporcjonalnie do ich masy. Im wyższa masa, tym większa siła grawitacji, dzięki czemu zwiększa się przyciąganie pomiędzy ciałami. Oddziaływania grawitacyjne są jednak bardzo słabe, dlatego mają znaczenie w przypadku ogromnych obiektów, takich jak ciała niebieskie. W małej skali są niemal niezauważalne, bowiem siła grawitacji pomiędzy elektronem a protonem w atomie wodoru jest 10⁴⁰ razy mniejsza niż siła elektromagnetyczna pomiędzy tymi cząstkami. Choć oddziaływania grawitacyjne nie są ujęte w modelu standardowym, to jednak są brane pod uwagę w wielu innych obliczeniach, dlatego też lista oddziaływań podstawowych liczy cztery ich rodzaje.

W październiku 2021 roku pojawiły się świadectwa na rzecz istnienia piątej siły natury, która najprawdopodobniej mogłaby odpowiadać za rozpad kwarków-b do mionów lub elektronów⁴. Dzięki informacjom zebranym za pomocą wielkiego zderzacza hadronów (LHC) wykazano, że częstotliwość rozpadu mionów znacznie różni się od częstotliwości rozpadu elektronów, choć model standardowy nie przewiduje takich różnic. Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem takiego zjawiska jest obecność nowej siły natury, co jednak wymaga jeszcze dalszych badań. Warto nadmienić, że istnienie piątej siły natury lub nowych form energii postulowane jest w nauce od bardzo dawna – począwszy od odkrycia neutrin, aż do nietypowego zachowania mionów⁵.

Szósty zmysł?

Podobnie rzecz się ma przy klasyfikacji narządów zmysłów u człowieka, bowiem według powszechnie panującego modelu wypracowanego przez Arystotelesa człowiek posiada 5 zmysłów – smak, węch, wzrok, słuch i dotyk. Oczywiście u zwierząt zauważa się także inne zmysły, np. echolokacja (m.in. u nietoperzy), rozpoznawanie kierunku i siły prądu wody (m.in. u ryb) czy magnetorecepcja (m.in. u wędrownych gatunków ptaków)⁶. Jednak w odniesieniu do człowieka arystotelesowski model 5 zmysłów jest na tyle utarty, że wyrażenie „szósty zmysł” nabrało charakteru frazeologicznego i oznacza posiadanie jakiejś wyjątkowej cechy, najczęściej intuicji, przeczucia lub zdolności przewidywania. Obecna wiedza naukowa stwierdza jednak, że człowiek rzeczywiście posiada nie tylko szósty zmysł, ale także siódmy i ósmy, które są bardzo istotne dla prawidłowego funkcjonowania organizmu. Zmysły bowiem to zdolność odbierania bodźców nie tylko ze środowiska zewnętrznego, ale również z własnego ciała, dlatego też zmysłami są także takie zdolności jak równowaga, propriocepcja oraz interocepcja⁷. Zmysł równowagi odpowiada za zdolność czucia położenia ciała w przestrzeni, zmysł propriocepcji z kolei odpowiada za odczuwanie ułożenia części ciała względem siebie oraz napięcia mięśniowego, zaś zmysł interocepcji związany jest z odczuwaniem sygnałów z narządów wewnętrznych, np. perystaltyki jelit czy bólu brzucha. Można się także spotkać z interpretacjami, jakoby zmysłami były również takie modalności, jak nocycepcja (odczuwanie bólu) czy percepcja czasu (odczuwanie upływu czasu). Warto także wspomnieć, iż odnotowano przypadki występowania u ludzi takich zmysłów jak echolokacja czy magnetorecepcja⁸. Bez względu jednak na kryteria podziału, co zmysłem jest, a co nim nie jest, należy podkreślić, że klasyfikacja arystotelesowska – mimo że powszechnie przyjęta – już dawno jest nieaktualna.

Zaprezentowane wcześniej przykłady przedstawiają, jak dynamicznie zmienia się postrzeganie nawet utartych schematów i klasyfikacji w naukach przyrodniczych. Nieaktualny jest nie tylko podział na cztery siły natury czy na 5 zmysłów, ale w świetle obecnych świadectw naukowych okazuje się, że podobnie jest z podziałem na trzy stany skupienia.

Ile jest stanów materii?

Choć w powszechnym rozumieniu materia dzieli się na 3 stany skupienia: stały, ciekły oraz lotny (gazowy), a wiedza na temat przemian fazowych (np. topnienie, parowanie czy sublimacja) przekazywana jest już na poziomie szkoły podstawowej, to z punktu widzenia współczesnej fizyki materii jest to duże uproszczenie.

Stan skupienia materii to forma, w jakiej występuje dana substancja. Forma ta określa jej podstawowe właściwości fizyczne, które bezpośrednio wynikają z układu oraz zachowania cząsteczek tworzących daną substancję. Według podziału na 3 stany skupienia pochodzącego z XVII wieku ciało stałe ma zachowaną objętość oraz kształt; ciecz to taka substancja, której trudno zmienić objętość, jednak kształt zmienia się bez większego problemu; zaś gaz przyjmuje objętość i kształt naczynia (lub pomieszczenia), w którym się znajduje. Występowanie substancji w określonym stanie skupienia zależy od warunków termodynamicznych, czyli ciśnienia i temperatury. W ciśnieniu normalnym, tzn. takim, które jest równe jednej atmosferze fizycznej (101 325 paskali), woda poniżej temperatury 0^oC przyjmuje formę ciała stałego (lód), powyżej temperatury 100^oC przyjmuje formę gazową (para wodna), zaś w przedziale od 0^oC do 100^oC jest cieczą. Dzięki takim właściwościom termodynamicznym wody możliwe jest życie na Ziemi, gdyż woda w stanie ciekłym jest jednym z podstawowych składników organizmów żywych⁹. Przemiany fazowe wody stały się podstawą do stworzenia skali temperaturowej Celsjusza, gdzie temperaturę 0^oC przyjęto jako granicę przejścia fazowego w postaci krzepnięcia/topnienia, zaś temperatura 100^oC została przyjęta jako granica wrzenia/skraplania wody¹⁰. W różnych stanach skupienia jedna substancja posiada różne właściwości, np. nie byłoby możliwości oddychania powietrzem, gdyby w temperaturach naturalnie panujących na Ziemi przyjmowało ono formę ciekłą lub stałą, a nie gazową. W tym kontekście stan skupienia jest bardzo istotną właściwością substancji, gdyż umożliwia jej spełnianie określonej funkcji, np. woda w wielu przypadkach pełni funkcję rozpuszczalnika (rozpuszczają się w niej liczne gazy, ciecze oraz ciała stałe), pod warunkiem że znajduje się ona w stanie ciekłym.

Choć tradycyjne trzy stany skupienia wydają się wystarczające do opisu wielu różnorakich zjawisk i przemian, to jednak z punktu widzenia współczesnej fizyki nie są to jedyne stany materii. Właściwości substancji w poszczególnych stanach zależą od ułożenia cząsteczek (lub atomów), z których jest ona zbudowana oraz od ich energii kinetycznej (cząsteczki w ciele stałym są niemal nieruchomo ściśnięte, zaś w gazie są swobodne i nie muszą się nawet stykać). Za stan skupienia substancji odpowiada więc konfiguracja cząsteczek¹¹. Takie zdefiniowanie stanu skupienia materii pozwala na zidentyfikowanie więcej niż trzech stanów skupienia.

Inne stany materii

Najbardziej znanym nieklasycznym stanem skupienia jest plazma. Określana jest ona jako czwarty stan skupienia, jednak biorąc pod uwagę jej rozpowszechnienie we Wszechświecie, powinna być ona nazywana pierwszym stanem skupienia. Plazma to najprościej rzecz ujmując zjonizowany gaz, bowiem jest mieszaniną jonów, elektronów i cząstek obojętnych, a siły elektromagnetyczne plazmy mają znaczący wpływ na ruch naładowanych cząstek¹².

Piątym stanem skupienia nazywany jest kondensat Bosego-Einsteina, który może tworzyć się wyłącznie wtedy, gdy chmury atomów gazowych osiągają temperaturę o kilka miliardowych części stopnia Celsjusza powyżej zera absolutnego (-273,15^oC). Grupy atomów schłodzone do tej temperatury przestają poruszać się jako jednostki, ale poruszają się jako kolektyw – dziesiątki tysięcy atomów utrzymują jednolitą długość fali i wspólnie uzyskują ten sam stan kwantowy, stając się niejako nieodróżnialne od siebie¹³. Warto nadmienić, że według niektórych badaczy piątym stanem materii jest informacja¹⁴.

Wymienia się także inne stany materii, takie jak plazma kwarkowo-gluonowa, metal Jahna-Tellera, nadprzewodniki wysokotemperaturowe oraz tzw. płynne szkło. Każdy z tych stanów posiada charakterystyczne właściwości fizykochemiczne związane z magnetyzmem, rozszerzalnością czy przewodnictwem elektrycznym¹⁵.

Najnowsze badania opublikowane w październiku 2021 roku na łamach „Nature Physics” wskazują na odkrycie jeszcze innego stanu skupienia, który opiera się na łączeniu czwórek elektronów. Jego cechą charakterystyczną jest nietypowa forma nadprzewodnictwa elektrycznego. Kwantowy stan nadprzewodnictwa to stan materiału polegający na zerowym oporze elektrycznym, a jego główną zasadą jest to, że elektrony w danym materiale tworzą pary (w przeciwieństwie do elektronów w próżni, które się od siebie odpychają)¹⁶. W nowym stanie skupienia elektrony nadprzewodnika łączą się w czwórki, dlatego też stan ten nazwano kondensatem czterofermionowym (elektrony należą do grupy fermionów)¹⁷. Choć kondensaty te powstają w podobnych warunkach jak inne nadprzewodniki (bardzo niska temperatura), to jednak cechują się odmiennymi właściwościami, dlatego też konieczne stało się określenie ich jako nowego stanu materii. Chodź nadprzewodniki oparte na parach fermionów są wykorzystywane w wielu aspektach związanych z nowymi technologiami (np. w komputerach kwantowych), na ten moment nie wiadomo, jakie będzie praktyczne zastosowanie kondensatów czterofermionowych. Dalsze badania najprawdopodobniej przyniosą więcej informacji na ten temat, np. poprzez ujawnienie nieznanych dotąd właściwości związanych z ich reakcją na gradienty termiczne, pole magnetyczne, czy oddziaływanie za pomocą ultradźwięków.

Choć teoretyczne rozważania oparte na matematycznych obliczeniach sugerują, że materia może przyjmować nawet 500 faz¹⁸ (faza materii jest nieco bardziej precyzyjnym określeniem niż stan skupienia), to jednak odkrycie każdej nowej fazy lub nowego stanu skupienia jest traktowane jak przełom, gdyż stawia przed uczonymi wiele nowych pytań oraz wiele potencjalnych możliwości technologicznych.

Bartosz Bagrowski

Źródło zdjęcia: Wikipedia

Ikonka cyklu: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 21.11.2021

Literatura: