كم عدد حالات المادة؟ 🤔
ربما تعلمت في صغرك عن الحالات الثلاث الأكثر شيوعًا في تجربتنا: الصلبة والسائلة والغازية. 🌍 كل هذه الحالات تحدث بانتظام على سطح الأرض: الصخور والثلوج حالات صلبة، الماء والعديد من الزيوت حالات سائلة، والهواء حالة غازية. لكن هذه الحالات الثلاثة تعتمد على الذرات المتعادلة، وهذه قيود لا يلتزم بها الكون! ✨
إذا قمت بقصف ذرة بقدر كافٍ من الطاقة، ستطرد الإلكترونات منها، مما يخلق بلازما مؤينة: الحالة الرابعة من المادة. 💥 زد من الطاقة بدرجة كافية، وحتى البروتونات والنيوترونات ستتفتت، مكونة بلازما الكواركات والجلوونات: ربما الحالة الخامسة من المادة! 🤯
هل هناك حالات أخرى إضافية للمادة؟ بالتأكيد! ولكن، على عكس بعض الادعاءات، فإنّ “الموصلات التوبولوجية” ليست حالةً جديدةً من المادة. 🧐 بدلاً من ذلك، هناك حالتان فقط يُعتقد بوجودهما: مكثفات بوز-آينشتاين ومكثفات فرميونية، وهما الحالة السادسة والسابعة من المادة. في الوقت الحالي، يمكن تحقيقهما فقط في ظروف معملية قاسية. لكنها قد تلعب دوراً مهماً في الكون نفسه! 🚀
في الواقع، كل شيء تقريبًا على كوكب الأرض مصنوع من الذرات ومركباتها. تتحد الذرات لتكوين جزيئات، وتكتسب أو تفقد بعضها إلكترونات لتُصبح أيونات، وتوجد ذرات أخرى ككيانات مستقلة. والحالة التي توجد عليها المادة (صلبة، سائلة، أو غازية) تعتمد على درجة الحرارة والضغط. مثل الماء، يتجمد في درجات حرارة منخفضة، ويصبح سائلًا عند درجات حرارة أعلى، ويصبح غازًا عند درجات حرارة أعلى أو ضغوط منخفضة. 🔥
هناك حد حراري حرج، أعلى من 374 درجة مئوية، عند نقطة انهيار هذا التمييز. عند الضغوط المنخفضة، لديك غاز، وعند الضغوط الأعلى، لديك سائل فوق حراري له خصائص كلا من الغاز والسائل. وارتفاع درجات الحرارة سيؤدي إلى تأيين الجزيئات، مُنشئًا بلازما. ⚡️
باستخدام العلم، نذهب إلى عالم دون الذري، عالم الجسيمات أصغر من الذرة. الإلكترون أحد هذه الجسيمات الأساسية. والنواة الذرية تتكون من البروتونات والنيوترونات، والتي بدورها تتكون من الكواركات. 🤯 داخل البروتونات والنيوترونات، تتم إنشاء، وإطلاق، وامتصاص الجلوونات، بالإضافة إلى أزواج الكوارك-مضاد الكوارك، باستمرار. إنه عالم فرعي معقد!
إذا زادت درجات الحرارة والطاقات إلى قيم عالية بما فيه الكفاية، ستنفصل البروتونات والنيوترونات إلى الكواركات المُكونة، والجلوونات، وأي أزواج كوارك-مضادّ كوارك يمكنك إنشاؤها من الطاقة المتاحة. في تجربتنا التقليدية، تلتصق الكواركات دائمًا معًا ثلاثة في وقت واحد في حالات مرتبطة تُعرف عمومًا بالباريونات. عند درجات الطاقة الكافية، تصبح بلازما كوارك-غلون: الحالة الخامسة من المادة! 🔥
في المراحل الأولى من الانفجار العظيم الحار، كانت هناك فقط بلازما كوارك-غلون، وليس بروتونات أو نيوترونات. نحن ندرس هذه البلازمات تجريبياً عن طريق اصطدام الأيونات الثقيلة في أقوى مسرعات الجسيمات في العالم. ✨
إذا، بدلاً من الذهاب إلى طاقات عالية، ذهبنا إلى ظروف متخصصة في الاتجاه الآخر، المنخفض الطاقة، نجد أن هذه الجسيمات يمكنها تحقيق شيء آخر ملحوظ: خلق حالة سادسة وسابعة من المادة. كل جسيم إما فرميون أو بوزون. 🧐
- فرميون: عندما نقيس دورة (زخم زاوي داخلي)، نحصل على قيم مُكمّمة في قيم نصف عدد صحيح من ثابت بلانك.
- بوزون: عندما نقيس دورة، نحصل دائمًا على قيم مُكمّمة في قيم عدد صحيح من ثابت بلانك.
الفرق بين الفرميونات والبوزونات يؤدي إلى نتيجة مذهلة: الفرميونات تتبع مبدأ استبعاد باولي، بينما البوزونات لا تفعل. 🤯
تُرجع قصة المكثفات الفيرميونية إلى الخمسينيات من القرن الماضي، مع اكتشاف أزواج كوبر. عند درجات الحرارة المنخفضة، تتحد الإلكترونات في أزواج كوبر، مما يُسبب لها السيولة الفائقة. 😎
في عام 1971، ثبت أن الهيليوم-3 أصبح مادة فائقة السيولة عند درجات حرارة أقل من 2.5 ملي كلفن. في عام 2003، ابتكر مختبر الفيزيائية دبورة جين أول مكثف فيرميوني قائم على الذرات.
هناك حالات أخرى غريبة من المادة، مثل الثلج المغزلي الكمومي. ولكنها في الواقع ليست حالات جديدة، بل هي أنظمة جديدة من المادة تستفيد فقط من تركيبات من حالات المادة المعروفة بالفعل. 😊
- بلازما مؤينة، بلازما كواركية-غلونية، مكثفات بوز-آينشتاين، مكثفات فرميونية.
لا يوجد حالات أخرى. ولإنشاء مُكثف فرميوني، تحتاج إلى درجات حرارة أقل من 50 نانوكلفن مع تطبيق مجال مغناطيسي متغير مع الزمن. 🤯
ومع ذلك، في أعماق الفضاء، من الممكن أن تتجمع النيوترينوات أو المادة المظلمة لتشكيل مكثفاتها الخاصة. 🤔 ربما يَكْمُن مفتاح فهم المادة المظلمة في هذه الحالات النادرة!
نُشِرَ هذا المقال لأول مرة في نيسان/أبريل 2022. وقد جرى تحديثه في آذار/مارس 2025.
المصدر: https://bigthink.com/starts-with-a-bang/7-states-of-matter/