Человек всегда стремился отыскать материалы, которые не оставляют никаких шансов своим конкурентам. Издревле учёные искали самые твердые материалы в мире , самые лёгкие и самые тяжелые. Жажда открытий привела к открытию идеального газа и идеально чёрного тела. Представляем вам самые удивительные вещества в мире.

1. Самое черное вещество

Самое чёрное вещество в мире называется Vantablack и состоит из совокупности углеродных нанотрубок (см. углерод и его аллотропные модификации). Проще говоря, материал состоит из бесчисленного множества «волосков», попав в которые, свет отскакивает от одной трубки к другой. Таким образом поглощается около 99,965% светового потока и лишь ничтожная часть отражается обратно наружу.
Открытие Vantablack открывает широкие перспективы применения этого материала в астрономии, электронике и оптике.

2. Самое горючее вещество

Трифторид хлора является самым горючим веществом из когда-либо известных человечеству. Является сильнейшим окислителем и реагирует практически со всеми химическими элементами. Трифторид хлора способен прожечь бетон и легко воспламеняет стекло! Применение трифторида хлора практически невозможно из-за его феноменальной воспламеняемости и невозможности обеспечить безопасность использования.

3. Самое ядовитое вещество

Самый сильный яд — это ботулотоксин. Мы знаем его под названием ботокс, именно так он называется в косметологии, где нашел свое основное применение. Ботулотоксин — это химическое вещество, которое выделяют бактерии Clostridium botulinum. Помимо того, что ботулотоксин — самое ядовитое вещество, так он ещё и обладает самой большой молекулярной массой среди белков. О феноменальной ядовитости вещества говорит тот факт, что достаточно всего 0,00002 мг мин/л ботулотоксина, чтобы на полдня сделать зону поражения смертельно опасной для человека.

4. Самое горячее вещество

Это, так называемый, кварк-глюонная плазма. Вещество было создано с помощью столкновением атомов золота при почти световой скорости. Кварк-глюонная плазма имеет температуру 4 триллиона градусов Цельсия. Для сравнения, этот показатель выше температуры Солнца в 250 000 раз! К сожалению, время жизни вещества ограничено триллионной одной триллионной секунды.

5. Самая едкая кислота

В этой номинации чемпионом становится фторидно-сурьмяная кислота H. Фторидно-сурьмяная кислота в 2×10 16 (двести квинтиллионов) раз более едкая, чем серная кислота. Это очень активное вещество, которое может взорваться при добавлении небольшого количества воды. Испарения этой кислоты смертельно ядовиты.

6. Самое взрывоопасное вещество

Самое взрывоопасное вещество — гептанитрокубан. Он очень дорогой и применяется лишь для научных исследований. А вот чуть менее взрывоопасный октоген успешно применяется в военном деле и в геологии при бурении скважин.

7. Самое радиоактивное вещество

«Полоний-210» — изотоп полония, который не существует в природе, а изготавливается человеком. Используется для создания миниатюрных, но в тоже время, очень мощных источников энергии. Имеет очень короткий период полураспада и поэтому способен вызывать тяжелейшую лучевую болезнь.

8. Самое тяжёлое вещество

Это, конечно же, фуллерит. Его твердость почти в 2 раза выше, чем у натуральных алмазов. Подробнее о фуллерите можно прочитать в нашей статье Самые твердые материалы в мире .

9. Самый сильный магнит

Самый сильный магнит в мире состоит из железа и азота . В настоящее время, широкой общественности недоступны детали об этом веществе, однако уже сейчас известно, что новый супер-магнит на 18% мощнее самых сильных магнитов применяющихся сейчас — неодимовых. Неодимовые магниты изготавливаются из неодима, железа и бора.

10. Самое текучее вещество

Сверхтекучий Гелий II почти не имеет вязкости при температурах близких к абсолютному нулю. Этим свойством обусловлено его уникальное свойство просачиваться и выливаться из сосуда, изготовленного из любого твёрдого материала. Гелий II имеет перспективы использования в качестве идеального термопроводника, в котором не рассеивается тепло.

В мире много удивительных вещей и необычных материалов, но эти вполне могут претендовать на участие в категории «самые удивительные среди придуманных людьми». Безусловно, эти вещества «нарушают» правила физики только на первый взгляд, на самом деле все давно научно объяснено, хотя от этого вещества менее удивительными не становятся.

Вещества, нарушающих правила физики:

1. Феррожидкость – это магнитная жидкость, из которой можно образовывать весьма любопытные и затейливые фигуры. Впрочем, пока магнитное поле отсутствует, феррожидкость – вязкая и ни чем не примечательная. Но вот стоит воздействовать на нее с помощью магнитного поля, как ее частицы выстраиваются вдоль силовых линий – и создают нечто неописуемое…

2. Аэрогель Frozen Smoke («Замороженный дым») на 99 процентов состоит из воздуха и на 1 – из кремниевого ангидрида. В результате получается весьма впечатлительная магия: кирпичи зависают в воздухе и все такое. Кроме того, этот гель еще и огнеупорен.

Будучи почти незаметным, аэрогель при этом может удерживать практически невероятные тяжести, что в 4000 раз превосходят объем израсходованного вещества, при чем сам он – очень легкий. Его применяют в космосе: к примеру, для «вылавливания» пыли от хвостов комет и для «утепления» костюмов астронавтов. В будущем, говорят ученые, он появится во многих домах: очень уж удобный материальчик.

3.Перфторуглерод – это жидкость, вмещающая большое количество кислорода, и которой, по сути, можно дышать. Вещество тестировалось еще в 60-х годах прошлого века: на мышах, продемонстрировав определенную долю эффективности. К сожалению, только определенную: лабораторные мыши погибли после нескольких часов, проведенных в емкостях с жидкостью. Ученые пришли к мнению, что всему виной – примеси…

Сегодня перфторуглероды используются для ультразвуковых исследования и даже для создания искусственной крови. Бесконтрольно использовать вещество ни в коем случае нельзя: оно не самое экологически чистое. Атмосферу, например, «подогревает» в 6500 раз активнее, чем углекислый газ.

4.Эластичные проводники производятся из «микса» ионной жидкости и углеродных нанотрубок. Ученые не нарадуются этому изобретению: ведь, по сути, эти проводники могут растягиваться, не теряя своих свойств, а потом возвращаться к изначальному размеру, как будто ничего и не случилось. А это дает повод всерьез задуматься о всяческих эластичных гаджетах.

5. Неньютоновская жидкость - это жидкость по которой можно ходить: от прикладывания силы она затвердевает. Ученые ищут путь применения этой способности неньютоновской жидкости при разработке армейского снаряжения и формы. Чтобы мягкая и удобная ткань под действием пули становилась твердой – и превращалась в бронежилет.

6. Прозрачный оксид алюминия и при этом крепкий металл планируют использовать как для создания более совершенного армейского снаряжения, так и в автопроме и даже при производстве окон. Почему бы и нет: видно хорошо, и при этом не бьется.

7.Углеродные нанотрубки уже присутствовали в четвертом пункте статьи, и вот – новая встреча. А все потому, что возможности их и вправду широки, и говорить о всяческих прелестях можно часами. В частности, это – самый прочный из всех изобретенным человеком материалов.

С помощью этого материала уже создают сверхпрочные нити, сверхкомпактные компьютерные процессоры и много-много другого, а в будущем темпы будут только наращиваться: супер-эффективные батареи, еще более эффективные солнечные панели и даже трос для космического лифта будущего…

8.Гидрофобный песок и гидрофобность - это физическое свойство молекулы, которая «стремится» избежать контакта с водой. Сама молекула в этом случае называется гидрофобной.

Гидрофобные молекулы обычно неполярны и «предпочитают» находиться среди других нейтральных молекул и неполярных растворителей. Поэтому вода на гидрофобной поверхности, обладающей высоким значением угла смачивания, собирается в капли, а нефть, попадая в водоем, распределяется по его поверхности.

1. Самая чёрная материя, известная человеку
Что произойдёт, если наложить друг на друга края углеродных нанотрубок и чередовать слои из них? Получится материал, который поглощает 99.9% света, который попадает на него. Микроскопическая поверхность материала является неровной и шероховатой, которая преломляет свет и при этом является плохой отражающей поверхностью. После этого попробуйте использовать углеродные нанотрубки в качестве суперпроводников в определенном порядке, что делает их прекрасными поглотителями света, и у вас получится настоящая чёрная буря. Учёные всерьёз озадачены потенциальными вариантами применения этого вещества, так как, фактически, свет не «теряется», то вещество могло бы использоваться для улучшения оптических устройств, например, телескопов и даже использоваться для солнечных батарей, работающих почти со 100% эффективностью.
2. Самое горючее вещество
Множество вещей горит с поразительной скоростью, например, стирофом, напалм и это только начало. Но что, если бы было вещество, которое могло бы охватить огнём землю? С одной стороны это провокационный вопрос, но он был задан как отправная точка. Трифторид хлора имеет сомнительную славу как ужасно горючее вещество, при том, что нацисты полагали, что это вещество слишком опасно для работы. Когда люди, которые обсуждают геноцид, считают, что целью их жизни является не использовать что-либо, потому что это слишком смертельно, это поддерживает осторожное обращение с этими веществами. Говорят, что однажды пролилась тонна вещества и начался пожар, и выгорело 30,5 см бетона и метр песка с гравием, пока всё не утихло. К сожалению, нацисты оказались правы.
3. Самое ядовитое вещество
Скажите, что бы вы меньше всего хотели, что могло бы попасть на ваше лицо? Это вполне мог быть самый смертоносный яд, который по праву займёт 3 место среди основных экстремальных веществ. Такой яд, действительно отличается от того, что прожигает бетон, и от самой сильной кислоты в мире (которую скоро изобретут). Хотя и не совсем так, но вы все, без сомнений, слышали от медицинского сообщества о ботоксе, и благодаря ему прославился самый смертоносный яд. Ботокс использует ботулотоксин, порождаемый бактерией «клостридиум ботулинум», и она очень смертоносна, и её количества, равного крупинке соли, достаточно, чтобы убить человека весом в 200 фунтов (90,72 кг; прим. mixednews). На самом деле, учёные рассчитали, что достаточно распылить всего 4 кг этого вещества, чтобы убить всех людей на земле. Наверное, орёл бы поступил гораздо гуманнее с гремучей змеёй, чем этот яд с человеком.
4. Самое горячее вещество
Существует очень мало вещей в мире, известных человеку как нечто более горячее, чем внутренняя поверхность недавно разогретого в микроволновке Hot Pocket, но это вещество, кажется, побьёт и этот рекорд. Созданное столкновением атомов золота при почти световой скорости, вещество называют кварк-глюонным «супом», и оно достигает сумасшедших 4 триллионов градусов Цельсия, что почти в 250 000 раз горячее вещества внутри Солнца. Величина энергии, испускаемой при столкновении, была бы достаточной, чтобы расплавить протоны и нейтроны, что само по себе имеет такие особенности, о которых вы даже и не подозревали. Учёные говорят, что это вещество могло бы нам дать представление о том, на что было похоже рождение нашей Вселенной, поэтому стоит с пониманием отнестись к тому, что крошечные сверхновые не создаются ради забавы. Тем не менее, действительно хорошие новости состоят в том, что «суп» занимал одну триллионную сантиметра и длился в течение триллионной одной триллионной секунды.
5. Самая едкая кислота
Кислота - это ужасное вещество, одного из самых страшных монстров в кино наделили кислотной кровью, чтобы сделать его ещё более ужасным, чем просто машина для убийства («Чужой»), поэтому внутри нас укоренилось, что воздействие кислотой - это очень плохо. Если бы «чужих» наполнили фторидно-сурьмяной кислотой, то они бы не только провалились глубоко через пол, но и пары, испускаемые от их мёртвых тел убили бы всё вокруг них. Эта кислота в 21019 раз более сильная, чем серная кислота и может просочиться через стекло. И она может взорваться, если добавить воды. И во время её реакции выделяются ядовитые испарения, которые могут убить любого в помещении.
6. Самая взрывоопасная взрывчатка
На самом деле, это место делят в настоящий момент два компонента: октоген и гептанитрокубан. Гептанитрокубан главным образом существует в лабораториях, и аналогичен октогену, но имеет более плотную структуру кристаллов, что несёт в себе бо?льший потенциал разрушения. Октоген, с другой стороны, существует в достаточно больши?х количествах, что может угрожать физическому существованию. Он используется в твёрдом топливе для ракет, и даже для детонаторов ядерного оружия. И последнее является самым ужасным, так как несмотря на то, с какой лёгкостью это происходит в кино, начало расщепления/термоядерной реакции, которая приводит к ярким светящимся ядерным облакам, похожим на гриб, не является простой задачей, но октоген прекрасно с ней справляется.
7. Самое радиоактивное вещество
Говоря о радиации, стоит упомянуть о том, что светящиеся зелёные стержни «плутония», показанные в «Симпсонах» - это всего лишь выдумка. Если что-либо является радиоактивным, это вовсе не означает, что оно светится. Стоит об этом упомянуть, так как «полоний-210» настолько радиоактивен, что он светится голубым. Бывшего советского шпиона, Александра Литвиненко ввели в заблуждение, когда ему добавили в еду этого вещества, и вскоре после этого он умер от рака. Это не та вещь, с который вы захотите пошутить, свечение вызывается воздухом вокруг вещества, на который воздействует радиация, и, в самом деле, объекты вокруг могут нагреваться. Когда мы говорим «радиация», мы думаем, например, о ядерном реакторе либо взрыве, где действительно происходит реакция деления. Это только выделение ионизированных частиц, а не вышедшее из-под контроля расщепление атомов.
8. Самое тяжёлое вещество
Если вы думали, что самое тяжёлое вещество на Земле - это алмазы, это была хорошая, но неточная догадка. Это технически созданный алмазный наностержень. Это фактически совокупность из алмазов нано-масштаба, с наименьшей степенью сжатия и самое тяжёлое вещество, известное человеку. На самом деле его не существует, но что было бы весьма кстати, так как это означает, что когда-нибудь мы могли бы покрыть наши машины этим материалом и просто избавиться от нее, когда произойдёт столкновение с поездом (нереальное событие). Это вещество изобрели в Германии в 2005 году и, возможно, его будут использовать в той же самой степени, как и промышленные алмазы, исключая то обстоятельство, что новое вещество более устойчивое к износу, чем обычные алмазы.
9. Самое магнитное вещество
Если бы индуктор являлся небольшим чёрным куском, то это было бы то самое вещество. Вещество, разработанное в 2010 году из железа и азота, обладает магнитными способностями, которые на 18% больше, чем предыдущий «рекордсмен», и является настолько мощным, что заставил учёных пересмотреть, как работает магнетизм. Человек, который открыл это вещество, дистанцировался со своими изучениями, чтобы никто из других учёных не смог бы воспроизвести его работу, так как сообщалось, что аналогичное соединение разрабатывалось в Японии в прошлом в 1996 г., но другие физики не смогли его вопроизвести, поэтому официально это вещество не приняли. Непонятно, должны ли японские физики пообещать сделать «Сепуку» при этих обстоятельствах. Если это вещество можно будет воспроизвести, это может означать новый век эффективной электроники и магнитных двигателей, возможно, усиленные по мощности на порядок.
10. Наиболее сильная сверхтекучесть
Сверхтекучесть является состоянием вещества (подобно твёрдому либо газообразному), которое имеет место при экстремально низких температурах, имеет высокую термопроводимость (каждая унция этого вещества должна иметь точно такую же температуру) и никакой вязкости. Гелий-2 является наиболее характерным представителем. Чашка «гелия-2» самопроизвольно поднимется и выльется из контейнера. «Гелий-2» также просочится через другие твёрдые материалы, так как полное отсутствие силы трения позволяет течь ему через другие невидимые отверстия, через которые не мог бы вытечь обычный гелий (или вода для данного случая). «Гелий-2» не приходит в нужное состояние при числе 1, как будто у него есть способность действовать по своему усмотрению, хотя это также наиболее эффективный термопроводник на Земле, в несколько сотен раз лучше меди. Теплота перемещается настолько быстро через «гелий-2», что она скорее передвигается волнами, подобно звуку (известному на самом деле как «второй звук»), чем рассеивается, при этом она просто перемещается от одной молекулы к другой. Между прочим, силы, управляющие возможностью «гелия-2» ползать по стене, названы «третьим звуком». У вас вряд ли будет что-либо более экстремальное, чем вещество, которое потребовало определение 2 новых типов звука.

В этом (2007 — П. З. ) году мы хотим рассказать вам, уважаемые читатели, о воде. Этот цикл статей так и будет называться: цикл воды. Наверное, нет смысла говорить о том, сколь важно это вещество для всех естественных наук и для каждого из нас. Не случайно многие пытаются спекулировать на интересе к воде, взять хотя бы нашумевший фильм „Великая тайна воды“, которые привлёк внимание миллионов людей. С другой стороны, нельзя упрощать ситуацию и говорить, что мы знаем о воде всё; это совсем не так, вода была и остаётся самым необычным веществом в мире. Чтобы в деталях рассмотреть особенности воды, нужен обстоятельный разговор. А начинаем мы его главами из замечательной книги основателя нашего журнала академика И.В. Петрянова-Соколова, которая вышла в издательстве „Педагогика“ в 1975 году. Эта книжка, кстати, вполне может служить образцом научно-популярного разговора крупного учёного с таким непростым читателем, как ученик средней школы.

Всё ли уже известно о воде?

Совсем ещё недавно, в 30-х годах нашего века, химики были уверены, что состав воды им хорошо известен. Но однажды одному из них пришлось измерить плотность остатка воды после электролиза. Он был удивлён: плотность оказалась на несколько стотысячных долей выше нормальной. В науке нет ничего незначительного. Эта ничтожная разница потребовала объяснения. В результате учёные открыли много новых больших тайн природы. Они узнали, что вода очень сложна. Были найдены новые изотопные формы воды. Добыта из обычной тяжёлая вода; оказалось, что она совершенно необходима для энергетики будущего: при термоядерной реакции дейтерий, выделенный из литра воды, даст столько же энергии, как 120 кг угля. Теперь во всех странах мира физики упорно и неустанно работают над решением этой великой задачи. А началось всё с простого измерения самой обычной, будничной и неинтересной величины — плотность воды была измерена точнее на лишний десятичный знак. Каждое новое, более точное измерение, каждый новый верный расчёт, каждое новое наблюдение не только повышает уверенность в знании и надёжности уже добытого и известного, но и раздвигает границы неведомого и ещё не познанного и прокладывает к ним новые пути.

Что же такое обыкновенная вода?

Такой воды в мире нет. Нигде нет обыкновенной воды. Она всегда необыкновенная. Даже по изотопному составу вода в природе всегда различна. Состав зависит от истории воды — от того, что с ней происходило в бесконечном многообразии её круговорота в природе. При испарении вода обогащается протием, и вода дождя поэтому отлична от воды озера. Вода реки не похожа на морскую воду. В закрытых озёрах вода содержит больше дейтерия, чем вода горных ручьёв. В каждом источнике свой изотопный состав воды. Когда зимой замерзает вода в озере, никто из тех, кто катается на коньках, и не подозревает, что изотопный состав льда изменился: в нём уменьшилось содержание тяжёлого водорода, но повысилось количество тяжёлого кислорода. Вода из тающего льда другая и отличается от воды, из которой лёд был получен.

Что такое лёгкая вода?

Это та самая вода, формулу которой знают все школьники — H 2 16 O . Но такой воды в природе нет. Такую воду с огромным трудом приготовили учёные. Она им понадобилась для точного измерения свойств воды, и в первую очередь для измерения её плотности. Пока такая вода существует только в нескольких крупнейших лабораториях мира, где изучают свойства различных изотопных соединений.

Что такое тяжёлая вода?

И этой воды в природе нет. Строго говоря, нужно было бы называть тяжёлой воду, состоящую только из одних тяжёлых изотопов водорода и кислорода, D 2 18 O , но такой воды нет даже и в лабораториях учёных. Конечно, если эта вода понадобится науке или технике, учёные сумеют найти способ, как её получить: и дейтерия, и тяжёлого кислорода в природной воде сколько угодно.

В науке и ядерной технике принято условно называть тяжёлой водой тяжеловодородную воду. Она содержит только дейтерий, в ней совсем нет обычного, лёгкого изотопа водорода. Изотопный состав по кислороду в этой воде соответствует обычно составу кислорода воздуха.

Ещё совсем недавно никто в мире и не подозревал, что такая вода существует, а теперь во многих странах мира работают гигантские заводы, перерабатывающие миллионы тонн воды, чтобы извлечь из неё дейтерий и получить чистую тяжёлую воду.

Много ли различных вод содержится в воде?

В какой воде? В той, что льётся из водопроводного крана, куда она пришла из реки, тяжёлой воды D 2 16 O около 150 г на тонну, а тяжелокислородной (H 2 17 O и H 2 18 O вместе) почти 1800 г на тонну воды. А в воде из Тихого океана тяжёлой воды почти 165 г на тонну.

В тонне льда одного из больших ледников Кавказа тяжёлой воды на 7 г больше, чем в речной воде, а тяжелокислородной воды столько же. Но зато в воде ручейков, бегущих по этому леднику, D 2 16 O оказалось меньше на 7 г, а H 2 18 O — на 23 г больше, чем в речной.

Тритиевая вода T 2 16 O выпадает на землю вместе с осадками, но её очень мало — всего лишь 1 г на миллион миллионов тонн дождевой воды. В океанской воде её ещё меньше.

Строго говоря, вода всегда и всюду разная. Даже в снеге, выпадающем в разные дни, разный изотопный состав. Конечно, отличие невелико, всего 1-2 г на тонну. Только, пожалуй, очень трудно сказать — мало это или много.

В чём же различие между лёгкой природной и тяжёлой водой?

Ответ на этот вопрос будет зависеть от того, кому он задан. Каждый из нас не сомневается, что с водой-то он знаком хорошо. Если каждому из нас показать три стакана с обычной, тяжёлой и лёгкой водой, то каждый даст совершенно чёткий и определённый ответ: во всех трёх сосудах простая чистая вода. Она одинаково прозрачна и бесцветна. Ни на вкус, ни на запах нельзя найти между ними никакой разницы. Это всё — вода. Химик на этот вопрос ответит почти так же: между ними нет почти никакой разницы. Все их химические свойства почти неразличимы: в каждой из этих вод натрий будет одинаково выделять водород, каждая из них при электролизе будет одинаково разлагаться, все их химические свойства будут почти совпадать. Оно и понятно: ведь химический состав у них одинаков. Это вода.

Физик не согласится. Он укажет на заметную разницу в их физических свойствах: и кипят и замерзают они при различных температурах, плотность у них разная, упругость их пара тоже немного различна. И при электролизе они разлагаются с разной скоростью. Лёгкая вода чуть быстрее, а тяжёлая — помедленнее. Разница в скоростях ничтожна, но остаток воды в электролизере оказывается немного обогащённым тяжёлой водой. Таким путём она и была открыта. Изменения в изотопном составе мало влияют на физические свойства вещества. Те из них, которые зависят от массы молекул, меняются заметнее, например скорости диффузии молекул пара.

Биолог, пожалуй, станет в тупик и не сразу сумеет найти ответ. Ему нужно будет над вопросом о различии между водой с разным изотопным составом ещё немало поработать. Совсем недавно все считали, что в тяжёлой воде живые существа не могут жить. Её даже мёртвой водой называли. Но оказалось, что если очень медленно, осторожно и постепенно заменять протий в воде, где живут некоторые микроорганизмы, на дейтерий, то можно их приучить к тяжёлой воде и они будут в ней неплохо жить и развиваться, а обычная вода для них станет вредной.

Сколько молекул воды в океане?

Одна. И этот ответ не совсем шутка. Конечно, каждый может, посмотрев в справочник и узнав, сколько в Мировом океане воды, легко сосчитать, сколько всего в нём содержится молекул H 2 O . Но такой ответ будет не вполне верен. Вода — вещество особенное. Благодаря своеобразному строению отдельные молекулы взаимодействуют между собой. Возникает особая химическая связь вследствие того, что каждый из атомов водорода одной молекулы оттягивает к себе электроны атомов кислорода в соседних молекулах. За счёт такой водородной связи каждая молекула воды оказывается довольно прочно связанной с четырьмя соседними молекулами.

Как же всё-таки построены молекулы воды в воде?

К сожалению, этот очень важный вопрос изучен ещё недостаточно. Строение молекул в жидкой воде очень сложно. Когда лёд плавится, его сетчатая структура частично сохраняется в образующейся воде. Молекулы в талой воде состоят из многих простых молекул — из агрегатов, сохраняющих свойства льда. При повышении температуры часть их распадается, их размеры становятся меньше.

Взаимное притяжение ведёт к тому, что средний размер сложной молекулы воды в жидкой воде значительно превышает размеры одной молекулы воды. Такое необычайное молекулярное строение воды обусловливает её необычайные физико-химические свойства.

Какова должна быть плотность воды?

Правда, очень странный вопрос? Вспомните, как была установлена единица массы — один грамм. Это масса одного кубического сантиметра воды. Значит, не может быть никакого сомнения в том, что плотность воды должна быть только такой, какая она есть. Можно ли в этом сомневаться? Можно. Теоретики подсчитали, что если бы вода не сохраняла рыхлую, льдоподобную структуру в жидком состоянии и её молекулы были бы упакованы плотно, то и плотность воды была бы гораздо выше. При 25°C она была бы равна не 1,0, а 1,8 г/см 3 .

При какой температуре вода должна кипеть?

Этот вопрос тоже, конечно, странен. Верно, при ста градусах. Это знает каждый. Больше того, именно температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении и выбрана в качестве одной из опорных точек температурной шкалы, условно обозначенной 100°C. Однако вопрос поставлен иначе: при какой температуре вода должна кипеть? Ведь температуры кипения различных веществ не случайны. Они зависят от положения элементов, входящих в состав их молекул, в периодической системе Менделеева.

Если сравнивать между собой одинаковые по составу химические соединения различных элементов, принадлежащих к одной и той же группе таблицы Менделеева, то легко заметить, что чем меньше атомный номер элемента, чем меньше его атомный вес, тем ниже температура кипения его соединений. Вода по химическому составу может быть названа гидридом кислорода. H 2 Te, H 2 Se и H 2 S — химические аналоги воды. Если определить температуру кипения гидрида кислорода по положению его в периодической таблице, то окажется, что вода должна кипеть при -80°C. Следовательно, вода кипит приблизительно на сто восемьдесят градусов выше, чем должна кипеть. Температура кипения воды — это наиболее обычное её свойство — оказывается необычайным и удивительным.

При какой температуре вода замерзает?

Не правда ли, вопрос не менее странен, чем предыдущие? Ну кто же не знает, что вода замерзает при нуле градусов? Это вторая опорная точка термометра. Это самое обычное свойство воды. Но ведь и в этом случае можно спросить: при какой температуре вода должна замерзать в соответствии со своей химической природой? Оказывается, гидрид кислорода на основании его положения в таблице Менделеева должен был бы затвердевать при ста градусах ниже нуля.

Из того, что температура плавления и кипения гидрида кислорода — его аномальные свойства, следует, что в условиях нашей Земли жидкое и твёрдое состояния его также аномальны. Нормальным должно было бы быть только газообразное состояние воды.

Сколько существует газообразных состояний воды?

Только одно — пар. А пар тоже только один? Конечно нет, паров воды столько же, сколько существует различных вод. Водяные пары, различные по изотопному составу, обладают хотя и очень близкими, но всё же различными свойствами: у них разная плотность, при одной и той же температуре они немного отличаются по упругости в насыщенном состоянии, у них чуть-чуть разные критические давления, разная скорость диффузии.

Может ли вода помнить?

Такой вопрос звучит, надо признать, очень необычно, но он вполне серьёзен и очень важен. Он касается большой физико-химической проблемы, которая в своей наиболее важной части ещё не исследована. Этот вопрос только поставлен в науке, но ответа на него она ещё не нашла.

Вопрос в том, влияет или нет предыдущая история воды на её физико-химические свойства и возможно ли, исследуя свойства воды, узнать, что происходило с ней ранее, — заставить саму воду „вспомнить“ и рассказать нам об этом. Да, возможно, как это ни кажется удивительным. Проще всего это можно понять на простом, но очень интересном и необычайном примере — на памяти льда.

Лёд — это ведь вода. Когда вода испаряется — меняется изотопный состав воды и пара. Лёгкая вода испаряется хотя и в ничтожной степени, но быстрее тяжёлой.

При испарении природной воды состав изменяется по изотопному содержанию не только дейтерия, но и тяжёлого кислорода. Эти изменения изотопного состава пара очень хорошо изучены, и так же хорошо исследована их зависимость от температуры.

Недавно учёные поставили замечательный опыт. В Арктике, в толще огромного ледника на севере Гренландии, была заложена буровая скважина и высверлен и извлечён гигантский ледяной керн длиной почти полтора километра. На нём были отчётливо различимы годичные слои нараставшего льда. По всей длине керна эти слои были подвергнуты изотопному анализу, и по относительному содержанию тяжёлых изотопов водорода и кислорода — дейтерия и 18 O были определены температуры образования годичных слоёв льда на каждом участке керна. Дата образования годичного слоя определялась прямым отсчётом. Таким образом была восстановлена климатическая обстановка на Земле на протяжении тысячелетия. Вода всё это сумела запомнить и записать в глубинных слоях гренландского ледника.

В результате изотопных анализов слоёв льда была построена учёными кривая изменения климата на Земле. Оказалось, средняя температура у нас подвержена вековым колебаниям. Было очень холодно в XV веке, в конце XVII века и в начале XIX. Самые жаркие годы были 1550 и 1930.

То, что сохранила в памяти вода, полностью совпало с записями в исторических хрониках. Обнаруженная по изотопному составу льда периодичность изменения климата позволяет предсказывать среднюю температуру в будущем на нашей планете.

Это всё совершенно понятно и ясно. Хотя и очень удивительна тысячелетняя хронология погоды на Земле, записанная в толще полярного ледника, но изотопное равновесие достаточно хорошо изучено и никаких загадочных проблем в этом пока нет.

Тогда в чём же состоит загадка «памяти» воды?

Дело в том, что за последние годы в науке постепенно накопилось много поразительных и совершенно непонятных фактов. Одни из них установлены твёрдо, другие требуют количественного надёжного подтверждения, и все они ещё ждут своего объяснения.

Например, ещё никто не знает, что происходит с водой, протекающей сквозь сильное магнитное поле. Физики-теоретики совершенно уверены, что ничего с ней при этом происходить не может и не происходит, подкрепляя свою убеждённость вполне достоверными теоретическими расчётами, из которых следует, что после прекращения действия магнитного поля вода должна мгновенно вернуться в прежнее состояние и остаться такой, какой была. А опыт показывает, что она изменяется и становится другой.

Из обычной воды в паровом котле растворённые соли, выделяясь, отлагаются плотным и твёрдым, как камень, слоем на стенках котельных труб, а из омагниченной воды (так её теперь стали называть в технике) выпадают в виде рыхлого осадка, взвешенного в воде. Вроде разница невелика. Но это зависит от точки зрения. По мнению работников тепловых электростанций, эта разница исключительно важна, так как омагниченная вода обеспечивает нормальную и бесперебойную работу гигантских электростанций: не зарастают стены труб паровых котлов, выше теплопередача, больше выработка электроэнергии. На многих тепловых станциях давно установлена магнитная подготовка воды, а как и почему она работает, не знают ни инженеры, ни учёные. Кроме того, на опыте подмечено, что после магнитной обработки воды в ней ускоряются процессы кристаллизации, растворения, адсорбции, изменяется смачивание… правда, во всех случаях эффекты невелики и трудно воспроизводимы. Но каким образом в науке можно оценить, что такое мало и что — много? Кто возьмётся это сделать? Действие магнитного поля на воду (обязательно быстротекущую) длится малые доли секунды, а „помнит“ вода об этом десятки часов. Почему — неизвестно. В этом вопросе практика далеко опередила науку. Ведь даже неизвестно, на что именно действует магнитная обработка — на воду или на содержащиеся в ней примеси. Чистой-то воды ведь не бывает.

„Память“ воды не ограничивается только сохранением последствий магнитного воздействия. В науке существуют и постепенно накапливаются многие факты и наблюдения, показывающие, что вода как будто бы „помнит“ и о том, что она раньше была заморожена. Талая вода, недавно получившаяся при таянии куска льда, как будто бы тоже отличается от той воды, из которой этот кусок льда образовался. В талой воде быстрее и лучше прорастают семена, быстрее развиваются ростки; даже как будто бы быстрее растут и развиваются цыплята, которые получают талую воду. Кроме удивительных свойств талой воды, установленных биологами, известны и чисто физико-химические отличия, например талая вода отличается по вязкости, по значению диэлектрической проницаемости. Вязкость талой воды принимает своё обычное для воды значение только через 3-6 суток после плавления. Почему это так (если это так) , тоже никто не знает. Большинство исследователей называют эту область явлений „структурной памятью“ воды, считая, что все эти странные проявления влияния предыдущей истории воды на её свойства объясняются изменением тонкой структуры её молекулярного состояния. Может быть, это и так, но… назвать — это ещё не значит объяснить. По-прежнему в науке существует важная проблема: почему и как вода „помнит“, что с нею было.

Знает ли вода, что происходит в космосе?

Этот вопрос затрагивает область столь необыкновенных, столь таинственных, до сих пор совершенно непонятных, наблюдений, что они вполне оправдывают образную формулировку вопроса. Экспериментальные факты как будто бы установлены твёрдо, но объяснения для них пока ещё не найдено.

Поразительная загадка, к которой относится вопрос, была установлена не сразу. Она относится к малозаметному и как будто бы пустяковому явлению, не имеющему серьёзного значения. Это явление связано с самыми тонкими и пока непонятными свойствами воды, трудно доступными количественному определению, — со скоростью химических реакций в водных растворах и главным образом со скоростью образования и выпадения в осадок труднорастворимых продуктов реакции. Это тоже одно из бесчисленных свойств воды.

Так вот, у одной и той же реакции, проводимой в одних и тех же условиях, время появления первых следов осадка непостоянно. Хотя этот факт был давным-давно известен, химики на него внимания не обращали, удовлетворяясь, как это ещё часто бывает, объяснением „случайными причинами“. Но постепенно, по мере развития теории скоростей реакции и усовершенствования методики исследования, этот странный факт стал вызывать недоумение.

Несмотря на самые тщательные предосторожности в проведении опыта в совершенно постоянных условиях, результат всё равно не воспроизводится: то осадок выпадает сразу, то приходится довольно долго ждать его появления.

Казалось бы, не всё ли равно — выпадает осадок в пробирке за одну, две или через двадцать секунд? Какое это может иметь значение? Но в науке, как и в природе, нет ничего не имеющего значения.

Странная невоспроизводимость всё более и более занимала учёных. И наконец был организован и осуществлён совершенно небывалый эксперимент. Сотни добровольных исследователей-химиков во всех частях земного шара по единой, заранее разработанной программе одновременно, в один и тот же момент по мировому времени снова и снова повторяли один и тот же простой опыт: определяли скорость появления первых следов осадка твёрдой фазы, образующейся в результате реакции в водном растворе. Опыт продолжался почти пятнадцать лет, было проведено более трёхсот тысяч повторений.

Постепенно стала вырисовываться удивительная картина, необъяснимая и загадочная. Оказалось, что свойства воды, определяющие протекание в водной среде химической реакции, зависят от времени.

Сегодня реакция протекает совсем иначе, чем в тот же момент она шла вчера, и завтра она будет идти снова по-другому.

Различия были невелики, но они существовали и требовали внимания, исследования и научного объяснения.

Результаты статистической обработки материалов этих наблюдений привели учёных к поразительному выводу: оказалось, что зависимость скорости реакции от времени для разных частей земного шара совершенно одинаковая.

Это означает, что существуют какие-то таинственные условия, изменяющиеся одновременно на всей нашей планете и влияющие на свойства воды.

Дальнейшая обработка материалов привела учёных к ещё более неожиданному следствию. Оказалось, что события, протекающие на Солнце, каким-то образом отражаются на воде. Характер реакции в воде следует ритму солнечной активности — появления пятен и вспышек на Солнце.

Но и этого мало. Было обнаружено ещё более невероятное явление. Вода каким-то необъяснимым путём отзывается на то, что происходит в космосе. Была установлена чёткая зависимость от изменения относительной скорости Земли в её движении в космическом пространстве.

Таинственная связь воды и событий, происходящих во Вселенной, пока необъяснима. А какое значение может иметь связь между водой и космосом? Никто ещё не может знать, насколько оно велико. В нашем теле около 75% воды; на нашей планете нет жизни без воды; в каждом живом организме, в каждой его клеточке протекают бесчисленные химические реакции. Если на примере простой и грубой реакции подмечено влияние событий в космосе, то пока даже и представить себе нельзя, как велико может быть значение этого влияния на глобальные процессы развития жизни на Земле. Наверное, будет очень важной и интересной наука будущего — космобиология. Одним из её главных разделов станет изучение поведения и свойств воды в живом организме.

Все ли свойства воды понятны учёным?

Конечно нет! Вода — загадочное вещество. До сих пор учёные не могут ещё понять и объяснить очень многие её свойства.

Можно ли сомневаться, что все подобные загадки будут успешно разрешены наукой. Но будет открыто немало новых, ещё более удивительных, загадочных свойств воды — самого необыкновенного вещества в мире.

http://wsyachina.narod.ru/physics/aqua_1.html

Большинство людей с легкостью назовут три классических состояния вещества: жидкое, твердое и газообразное. Те, кто немножко знает науку, добавит к этим трем еще плазму. Но со временем ученые расширили список возможных состояний вещества свыше этих четырех. В процессе этого мы многое узнали о Большом Взрыве, световых мечах и секретном состоянии вещества, скрытом в скромной курочке.

Аморфные твердые вещества - это довольно интересная подгруппа хорошо известного твердого состояния. В обычном твердом объекте молекулы хорошо организованы и не особо имеют пространство для движения. Это дает твердому веществу высокую вязкость, что является мерой сопротивления текучести. Жидкости, с другой стороны, имеют неорганизованную молекулярную структуру, что позволяет им течь, растекаться, изменять форму и принимать форму сосуда, в котором они находятся. Аморфные твердые вещества находятся где-то между этими двумя состояниями. В процессе витрификации жидкости остывают и их вязкость увеличивается до момента, когда вещество уже не течет подобно жидкости, но его молекулы остаются неупорядоченными и не принимают кристаллическую структуру, как обычные твердые вещества.

Наиболее распространенным примером аморфного твердого вещества является стекло. В течение тысяч лет люди делали стекло из диоксида кремния. Когда стеклоделы охлаждают кремнезем из жидкого состояния, он на самом деле не затвердевает, когда опускается ниже точки плавления. Когда температура падает, вязкость растет, вещество кажется тверже. Однако его молекулы по-прежнему остаются неупорядоченными. И тогда стекло становится аморфным и твердым одновременно. Этот переходный процесс позволил ремесленникам создавать красивые и сюрреалистические стеклянные структуры.

Каково же функциональное различие между аморфными твердыми веществами и обычным твердым состоянием? В повседневной жизни оно не особо заметно. Стекло кажется совершенно твердым, пока вы не изучите его на молекулярном уровне. И миф о том, что стекло стекает с течением времени, не стоит ломаного гроша. Чаще всего этот миф подкрепляется доводами о том, что старое стекло в церквях кажется толще в нижнем части, но обусловлено это несовершенством стеклодувного процесса на момент создания этих стекол. Впрочем, изучать аморфные твердые вещества вроде стекла интересно с научной точки зрения для исследования фазовых переходов и молекулярной структуры.

Сверхкритические жидкости (флюиды)

Большинство фазовых переходов происходит при определенной температуре и давлении. Общеизвестно, что повышение температуры в конечном счете превращает жидкость в газ. Тем не менее когда давление увеличивается вместе с температурой, жидкость совершает прыжок в царство сверхкритических жидкостей, у которых есть свойства как газа, так и жидкости. К примеру, сверхкритические жидкости могут проходить через твердые тела как газ, но также могут выступать в качестве растворителя, как жидкость. Интересно, что сверхкритическую жидкость можно сделать больше похожей на газ или на жидкость, в зависимости от комбинации давления и температуры. Это позволило ученым найти множество применений для сверхкритических жидкостей.

Хотя сверхкритические жидкости не так распространены, как аморфные твердые вещества, вы, вероятно, взаимодействуете с ними так же часто, как со стеклом. Сверхкритический диоксид углерода любят пивоваренные компании за его способность выступать в качестве растворителя при взаимодействии с хмелем, а кофе-компании используют его для производства лучшего кофе без кофеина. Сверхкритические жидкости также использовались для более эффективного гидролиза и чтобы электростанции работали при более высоких температурах. В общем, вы, вероятно, используете побочные продукты сверхкритических жидкостей каждый день.

Вырожденный газ

Хотя аморфные твердые вещества хотя бы встречаются на планете Земля, вырожденное вещество встречается лишь в определенных типах звезд. Вырожденный газ существует, когда внешнее давление вещества определяется не температурой, как на Земле, а сложными квантовыми принципами, в частности принципом Паули. Из-за этого внешнее давление вырожденного вещества будет сохраняться, даже если температура вещества упадет до абсолютного нуля. Известны два основных типа вырожденного вещества: электронно-вырожденное и нейтронно-вырожденное вещество.

Электронно-вырожденное вещество существует в основном в белых карликах. Оно образуется в ядре звезды, когда масса вещества вокруг ядра пытается сжать электроны ядра до низшего энергетического состояния. Однако в соответствии с принципом Паули, две одинаковых частицы не могут быть в одном энергетическом состоянии. Таким образом, частицы «отталкивают» вещество вокруг ядра, создавая давление. Это возможно только если масса звезды меньше 1,44 массы Солнца. Когда звезда превышает этот предел (известный как предел Чандрасекара), она просто коллапсирует в нейтронную звезду или в черную дыру.

Когда звезда коллапсирует и становится нейтронной звездой, у нее больше нет электронно-вырожденного вещества, она состоит из нейтронно-вырожденного вещества. Поскольку нейтронная звезда тяжелая, электроны сливаются с протонами в ее ядре, образуя нейтроны. Свободные нейтроны (нейтроны не связаны в атомном ядре) имеют период полураспада в 10,3 минуты. Но в ядре нейтронной звезды масса звезды позволяет нейтронам существовать за пределами ядер, образуя нейтронно-вырожденное вещество.

Другие экзотические формы вырожденного вещества также могут существовать, в том числе и странная материя, которая может существовать в редкой форме звезд - кварковых звезд. Кварковые звезды - это стадия между нейтронной звездой и черной дырой, где кварки в ядре развязаны и образуют бульон из свободных кварков. Мы пока не наблюдали такой тип звезд, но физики допускают их существование.

Сверхтекучесть

Вернемся на Землю, чтобы обсудить сверхтекучие жидкости. Сверхтекучесть - это состояние вещества, которое существует у определенных изотопов гелия, рубидия и лития, охлажденных до почти абсолютного нуля. Это состояние похоже на конденсат Бозе — Эйнштейна (бозе-эйнштейновский конденсат, БЭК), за несколькими отличиями. Некоторые БЭК сверхтекучи, а некоторые сверхтекучие состояния являются БЭК, но не все они идентичны.

Жидкий гелий известен своей сверхтекучестью. Когда гелий охлажден до «точки лямбда» в -270 градусов по Цельсию, часть жидкости становится сверхтекучей. Если охладить большую часть веществ до определенной точки, притяжение между атомами превосходит тепловые вибрации в веществе, позволяя им образовать твердую структуру. Но атомы гелия взаимодействуют между собой так слабо, что могут оставаться жидкими при температуре почти абсолютного нуля. Получается, при такой температуре характеристики отдельных атомов перекрываются, порождая странные свойства сверхтекучести.

У сверхтекучих веществ нет внутренней вязкости. Сверхтекучие вещества, помещенные в пробирку, начинают ползти вверх по бокам пробирки, казалось бы, нарушая законы гравитации и поверхностного натяжения. Жидкий гелий легко утекает, поскольку может проскользнуть даже через микроскопические отверстия. Сверхтекучесть также обладает странными термодинамическими свойствами. В таком состоянии вещества обладают нулевой термодинамической энтропией и бесконечной теплопроводностью. Это означает, что два сверхтекучих вещества не могут быть термально различны. Если добавить в сверхтекучее вещество тепла, оно проведет его так быстро, что образуются тепловые волны, не свойственные для обычных жидкостей.

Конденсат Бозе — Эйнштейна

Конденсат Бозе — Эйнштейна - это, наверное, одна из самых известных непонятных форм материи. Во-первых, нам нужно понять, что такое бозоны и фермионы. Фермион - это частица с полуцелым спином (например, электрон) или композитная частица (вроде протона). Эти частицы подчиняются принципу Паули, который позволяет существовать электронно-вырожденной материи. Бозон, однако, обладает полным целым спином, и одно квантовое состояние могут занимать несколько бозонов. Бозоны включают любые частицы-переносчики силы (вроде фотонов), а также некоторые атомы, включая гелий-4 и другие газы. Элементы в этой категории известны как бозонные атомы.

В 1920-х годах Альберт Эйнштейн взял за основу работу индийского физика Сатиендра Натх Бозе, чтобы предложить новую форму материи. Оригинальная теория Эйнштейна заключалась в том, что если вы охладите определенные элементарные газы до температуры в доли градуса выше абсолютного нуля, их волновые функции сольются, создав один «сверхатом». Такое вещество будет проявлять квантовые эффекты на макроскопическом уровне. Но только в 1990-х годах появились технологии, необходимые для охлаждения элементов до таких температур. В 1995 году ученые Эрик Корнелл и Карл Виман смогли объединить 2000 атомов в конденсат Бозе — Эйнштейна, который был достаточно большим, чтобы его можно было разглядеть в микроскоп.

Конденсаты Бозе-Эйнштейна тесно связаны со сверхтекучими веществами, но также обладают собственным набором уникальных свойств. Забавно и то, что БЭК может замедлять обычную скорость света. В 1998 году гарвардский ученый Лене Хау смог замедлить свет до 60 километров в час, пропустив лазер через сигарообразный образец БЭК. В более поздних экспериментах группе Хау удалось полностью остановить свет в БЭК, выключив лазер, когда свет проходил через образец. Эти открыли новое поле коммуникаций на основе света и квантовых вычислений.

Металлы Яна — Теллера

Металлы Яна — Теллера - это новейшее дитя в мире состояний вещества, поскольку ученым удалось успешно создать их впервые лишь в 2015 году. Если эксперименты подтвердятся другими лабораториями, эти металлы могут изменить мир, так как они обладают свойствами как изолятора, так и сверхпроводника.

Ученые во главе с химиком Космасом Прассидесом экспериментировали, вводя рубидий в структуру молекул углерода-60 (в простом народе известных под фуллеренами), что приводило к тому, что фуллерены принимают новую форму. Этот металл назван в честь эффекта Яна — Теллера, который описывает, как давление может изменять геометрическую форму молекул в новых электронных конфигурациях. В химии давление достигается не только за счет сжатия чего-то, но и за счет добавления новых атомов или молекул в ранее существовавшую структуру, изменяя ее основные свойства.

Когда исследовательская группа Прассидеса начала добавлять рубидий в молекулы углерода-60, молекулы углерода изменялись от изоляторов к полупроводникам. Тем не менее из-за эффекта Яна — Теллера молекулы пытались остаться в старой конфигурации, что создавало вещество, которое пыталось быть изолятором, но обладало электрическими свойствами сверхпроводника. Переход между изолятором и сверхпроводником никогда не рассматривался, пока не начались эти эксперименты.

Интересно в металлах Яна — Теллера то, что они становятся сверхпроводниками при высоких температурах (-135 градусов по Цельсию, а не при 243,2 градуса, как обычно). Это приближает их к приемлемым уровням для массового производства и экспериментов. Если все подтвердится, возможно, мы будем на шаг ближе к созданию сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, что, в свою очередь, произведет революцию во многих отраслях нашей жизни.

Фотонное вещество

В течение многих десятилетий считалось, что фотоны - безмассовые частицы, которые не взаимодействуют между собой. Тем не менее за последние несколько лет ученые MIT и Гарварда обнаружили новые способы «наделить» свет массой - и даже создать « », которые отскакивают друг от друга и связываются вместе. Некоторые посчитали, что это первый шаг на пути к созданию светового меча.

Наука фотонной материи немного сложнее, но постичь ее вполне возможно. Ученые начали создавать фотонную материю, экспериментируя с переохлажденным рубидиевым газом. Когда фотон простреливает газ, он отражается и взаимодействует с молекулами рубидия, теряя энергию и замедляясь. В конце концов, фотон выходит из облака очень медленным.

Странные вещи начинают происходить, когда вы пропускаете два фотона через газ, что порождает явление, известное как блокада Ридберга. Когда атом возбуждается фотоном, близлежащие атомы не могут возбудиться до такой же степени. Возбужденный атом оказывается на пути фотона. Чтобы атом поблизости мог быть возбужден вторым фотоном, первый фотон должен пройти через газ. Фотоны обычно не взаимодействуют между собой, но встречаясь с блокадой Ридберга, они толкают друг друга через газ, обмениваясь энергией и взаимодействуя между собой. Снаружи кажется, что у фотонов есть масса и они действуют как единая молекула, хотя остаются на самом деле безмассовыми. Когда фотоны выходят из газа, они кажутся соединившимися, подобно молекуле света.

Практическое применение фотонной материи пока остается под вопросом, но оно, безусловно, будет найдено. Возможно, даже в световых мечах.

Неупорядоченная сверходнородность

Пытаясь определить, находится ли вещество в новом состоянии, ученые смотрят на структуру вещества, а также на его свойства. В 2003 году Сальваторе Торквато и Фрэнк Стиллинджер из Принстонского университета предложили новое состояние вещества, известное как неупорядоченная сверходнородность. Хотя это словосочетание выглядит оксюмороном, в своей основе оно предполагает новый тип вещества, которое кажется неупорядоченным при ближайшем рассмотрении, но сверходнородным и структурированным издалека. Такое вещество должно обладать свойствами кристалла и жидкости. На первый взгляд, такое уже есть в плазмах и жидком водороде, но недавно ученые обнаружили природный пример там, где никто не ожидал: в курином глазу.

У кур есть пять колбочек в сетчатке. Четыре обнаруживают цвет и одна отвечает за уровни света. Однако, в отличие от человеческого глаза или шестиугольных глаз насекомых, эти колбочки рассредоточены случайно, не имеют реального порядка. Происходит это потому, что колбочки в глазу курицы имеют зоны отчуждения вокруг, а те не позволяют двум колбочкам одного типа находиться рядом. Из-за зоны отчуждения и формы колбочек они не могут образовывать упорядоченные кристаллические структуры (как в твердых веществах), но когда все колбочки рассматриваются как одно целое, оказывается, что они имеют высокоупорядоченный узор, как видно на изображениях Принстона ниже. Таким образом, мы можем описать эти колбочки в сетчатке куриного глаза как жидкость при ближайшем рассмотрении и как твердое вещество при взгляде издалека. Это отличается от аморфных твердых тел, о которых мы говорили выше, поскольку этот сверходнородный материал будет выступать как жидкость, а аморфное твердое тело - нет.

Ученые до сих пор исследуют это новое состояние вещества, поскольку оно, ко всему прочему, может быть более распространенным, чем считалось изначально. Сейчас ученые Принстонского университета пытаются приспособить такие сверходнородные материалы для создания самоорганизующихся структур и детекторов света, которые реагируют на свет с определенной длиной волн.

Струнные сети

Каким состоянием вещества является космический вакуум? Большинство людей не задумываются об этом, но в последние десять лет Сяо Ган-Вэнь из Массачусетского технологического института и Майкл Левин из Гарварда предложили новое состояние вещества, которое могло бы привести нас к открытию фундаментальных частиц после электрона.

Путь к разработке модели струнно-сетевой жидкости начался в середине 90-х годов, когда группа ученых предложила так называемые квазичастицы, которые, казалось, появились в эксперименте, когда электроны проходили между двумя полупроводниками. Возник переполох, поскольку квазичастицы действовали так, будто бы обладали дробным зарядом, что казалось невозможным для физики того времени. Ученые проанализировали данные и предположили, что электрон является не фундаментальной частицей Вселенной и что существуют фундаментальные частицы, которых мы пока не обнаружили. Эта работа принесла им Нобелевскую премию, но позже выяснилось, что в результаты их работы закралась ошибка в эксперименте. О квазичастицах благополучно забыли.

Но не все. Вэнь и Левин взяли за основу идею квазичастиц и предложили новое состояние вещества, струнно-сетевое. Основным свойством такого состояния является квантовая запутанность. Как и в случае с неупорядоченной сверходнородностью, если вы с близкого расстояния взглянете на струнно-сетевое вещество, оно будет похоже на неупорядоченный набор электронов. Но если взглянуть на него как на цельную структуру, вы увидите высокую упорядоченность из-за квантово-запутанных свойств электронов. Вэнь и Левин затем расширили свою работу, чтобы охватить другие частицы и свойства запутанности.

Проработав компьютерные модели для нового состояния вещества, Вэнь и Левин обнаружили, что концы струн-сетей могут производить разнообразные субатомные частицы, включая легендарные «квазичастицы». Еще большим сюрпризом стало то, что при вибрации струнно-сетевого вещества оно делает это в соответствии с уравнениями Максвелла, отвечающими за свет. Вэнь и Левин предположили, что космос наполнен струнными сетями запутанных субатомных частиц и что концы этих струн-сетей представляют собой субатомные частицы, которые мы наблюдаем. Также они предположили, что струнно-сетевая жидкость может обеспечивать существование света. Если космический вакуум заполнен струнно-сетевой жидкостью, это может позволить нам объединить свет и материю.

Все это может показаться очень надуманным, но в 1972 году (за десятки лет до струнно-сетевых предложений) геологи обнаружили в Чили странный материал - гербертсмитит. В этом минерале электроны образуют треугольные структуры, которые, похоже, противоречат всему, что мы знаем о взаимодействии электронов друг с другом. Кроме того, эта треугольная структура была предсказана в рамках струнно-сетевой модели, и ученые работали с искусственным гербертсмититом, чтобы точно подтвердить модель.

Кварк-глюонная плазма

Говоря о последнем состоянии вещества в этом списке, рассмотрим состояние, с которого все началось: кварк-глюонная плазма. В ранней Вселенной состояние материи существенно отличалось от классического. Для начала немного предыстории.

Кварки - это элементарные частицы, которые мы находим внутри адронов (например, протонов и нейтронов). Адроны состоят либо из трех кварков, либо из одного кварка и одного антикварка. Кварки имеют дробные заряды и скрепляются глюонами, которые являются частицами обмена сильного ядерного взаимодействия.

Мы не видим свободные кварки в природе, но сразу после Большого Взрыва в течение миллисекунды свободные кварки и глюоны существовали. В течение этого времени температура Вселенной была настолько высокой, что кварки и глюоны двигались почти со скоростью света. Во время этого периода Вселенная состояла целиком и полностью из этой горячей кварк-глюонной плазмы. Спустя другую долю секунды Вселенная остыла достаточно, чтобы образовались тяжелые частицы вроде адронов, а кварки начали взаимодействовать между собой и глюонами. С этого момента началось образование известной нам Вселенной, и адроны начали связываться с электронами, создавая примитивные атомы.

Уже в современной Вселенной ученые пытались воссоздать кварк-глюонную плазму в больших ускорителях частиц. В процессе этих экспериментов тяжелые частицы вроде адронов сталкивались друг с другом, создавая температуру, при которой кварки отделялись на короткое время. В процессе этих экспериментов мы узнали много нового о свойствах кварк-глюонной плазмы, в которой совершенно отсутствовало трение и которая была больше похожа на жидкость, чем обычная плазма. Эксперименты с экзотическим состоянием материи позволяют нам узнавать много нового о том, как и почему наша Вселенная образовалась такой, какой мы ее знаем.

По материалам listverse.com