Вещество Шрёдингера

Экспериментаторы научились получать новое, совсем загадочное состояние материи — тёплое плотное вещество. Его нельзя причислить ни к одному из главных состояний: газ, плазма, жидкость и твёрдое тело. Тёплое плотное вещество стоит особняком. Сам термин появился лет тридцать назад, но активные исследования начались совсем недавно. Во-первых, теперь есть установки, позволяющие создать его, пусть и на доли секунды. Во-вторых, оказалось, что это состояние помогает объяснить многие космические явления. Например, по одной из гипотез, именно в нём пребывают ядра Сатурна, Юпитера и планет в других звездных системах.

Однажды физик Сергей Гаранин изучал, что происходит, когда на тонкую проволочку подаётся очень сильный ток — пять миллионов ампер. Делал он это вместе с коллегами в до сих пор секретном городе Сарове, в Российском федеральном ядерном центре — месте, где создавалась советская атомная бомба. С проволочкой происходили странные вещи: внутри неё на доли секунды образовывалось нечто, что по параметрам подходило под описание тёплого плотного вещества — штуки ещё более секретной, чем Саров, но совсем в другом смысле.

Сергей Флорович Гаранин — физик, сотрудник Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики — Российского федерального ядерного центра в Сарове («Арзамас-16») Нижегородской области.

Весной 2015 года были опубликованы данные эксперимента по получению тёплого плотного вещества в Национальной ускорительной лаборатории США. Там использовался лазер, который за доли секунды обеспечил давление «в 4500 раз выше, чем на дне океана, и температуру в четыре раза больше, чем на поверхности Солнца». Учёные утверждают, что им удалось замерить свойства тёплого плотного вещества «с невиданной доселе точностью». Правда, в качестве образца использовалась фольга из алюминия, а для понимания космических процессов необходимо использовать водород. Это задача для последующих экспериментов.

Это вещество природа скрывает от нас вот уже десятки лет. Его предсказывали давно, но всерьез стали изучать лишь в последние годы, когда появились новые методы вроде мощных лазеров, которые могут нагревать образцы до высочайших температур за триллионные доли секунды. Гаранин применил свой способ — стал взрывать электрическим разрядом кусочек фольги.

«Исследование возможности получения тёплого плотного вещества при электровзрыве металлических фольг с помощью мегаамперных токов» — так назывался доклад группы Гаранина, подготовленный совместно с коллегами из Лос-Аламосской национальной лаборатории, где тоже делали атомную бомбу, только американскую. Докладывались же на конференции по физике плазмы в подмосковном Звенигороде в начале 2015 года. Тёплое плотное вещество находится за пределами геополитики и даже, как мы увидим, за пределами нашей планеты.

Что вы представляете, услышав словосочетание «тёплое плотное вещество»? Я провёл мини-опрос среди знакомых, и ответы были разные: джем, кисель, спрессованная овечья шерсть, песок летом на пляже. Среди девушек популярен вариант «кот». А один выпускник МФТИ, например, ответил, что это «твёрдое тело температурой выше комнатной», добавив, что где-то слышал этот термин. А мог он слышать его на занятиях по физике плазмы.

Понятие warm dense matter (WDM) вошло в научный оборот лет тридцать назад. По меркам физики это совсем недавно: к примеру, термин «тёмная материя» вовсю использовали ещё в начале 1930-х годов. До сих пор не существует общепризнанного перевода WDM на русский. При подготовке этой статьи мне встречались самые разные варианты: «горячая плотная материя», «тёплая плотная материя», «разогретое плотное вещество». Мы остановились на «тёплом плотном веществе» (ТПВ), оно встречается чуть чаще.

Температура ТПВ находится в широком диапазоне — от десятков тысяч до миллиона градусов при давлении от одной до миллионов атмосфер. В нормальных условиях, то есть при комнатной температуре и атмосферном давлении, тёплое вещество существовать не может, зато внутренности крупных планет — то, что нужно для его возникновения.

Оно же ТПВ, WDM, горячая плотная материя, тёплая плотная материя, разогретое плотное вещество. Агрегатное состояние вещества, которое по своим параметрам находится между твёрдым телом и идеальной плазмой. Оно слишком плотное, чтобы быть описанным как плазма, и слишком горячее, чтобы относиться к физике конденсированных сред. Может образовываться из разных исходных веществ — от водорода до металлов. ТПВ удаётся на короткое время получать в лабораторных условиях. Гипотетически именно в этом состоянии находятся ядра Юпитера, Сатурна и газовых гигантов вне Солнечной системы. 

Формальное определение примерно такое: «это состояние материи, достаточно плотное, чтобы не быть плазмой, и слишком горячее, чтобы не описываться методами физики конденсированного состояния». Иными словами, это то ли плазма, то ли нет, то ли твердое тело, то ли не очень.

Примерно двадцать пять веков назад философ Эмпедокл говорил, что мир состоит из четырех элементов: воздуха, воды, земли и огня. Согласно современным представлениям, этот древний грек был почти прав: традиционно выделяются четыре вида самых распространенных агрегатных состояний — твердое тело, жидкость, газ, плазма.

Твердые тела могут сохранять свою форму и объем, их атомы совершают лишь небольшие колебания относительно своих положений. В конденсированном состоянии вещества (так физики любят называть всё твердое) сила Кулона удерживает электроны в атомах, а тепловой энергией движения частиц можно пренебречь, что значительно облегчает учёным жизнь.

У жидкостей форма может меняться как угодно, зато объем почти сохраняется. Газы заполняют весь доступный объем, принимая любую форму, их частицы между собой взаимодействуют слабо.

Дальше следует плазма — частично или полностью ионизированный газ. Как и обычный газ, она не имеет определенной формы, однако может проводить электричество, взаимодействовать с электрическим и магнитным полем. В идеальной плазме частицы движутся настолько быстро, что при их столкновениях у атомов нет никаких шансов удержать при себе электрон. В этом случае физики говорят, что энергия теплового движения частиц значительно превосходит энергию кулоновского притяжения электронов и ядер атомов.

Наше же тёплое плотное вещество лежит аккурат между всеми главными состояниями. Чуть ли не половина публикаций о тёплом плотном веществе иллюстрируется одной и той же картинкой. Это двумерная система координат, где по вертикали температура, а по горизонтали давление. Зона ТПВ обозначена вытянутым овалом в центре.

Оно намного плотнее, чем плазма, — от 0,01 до 100 грамм на кубический  сантиметр. В некоторых случаях оно может иметь удельный вес в два раза больше, чем то твёрдое вещество, из которого оно получено. Да и холоднее оно, чем высокотемпературная плазма (кстати, поэтому лучше говорить всё-таки «тёплое», а не «горячее»). Бывает даже такой вид тёплого плотного вещества, который обладает свойствами кристалла (это называется «структурированное ТПВ»).

Но и твёрдым телом его тоже назвать нельзя — атомы слишком активно движутся. На жидкость и газ тоже не похоже… Получается какое-то «вещество Шрёдингера», которое, как кот в ящике, одновременно находится в нескольких состояниях.

При желании можно объявить тёплое плотное вещество альтернативным состоянием материи наряду с газом, жидкостью, твердым телом и плазмой. Физики знают ещё много других состояний: конденсат Бозе — Эйнштейна, глазма, кварк-глюонная плазма, состояния сверхтекучести, состояние сверхпроводимости, вырожденный газ, жидкие кристаллы и множество других. Но это уже совсем другая история, которая, в отличие от случая с твёрдым плотным веществом, лежит вне простой системы координат «плотность — температура».

А всё из-за того, что существует ТПВ при давлениях и температурах, немыслимых нам, поверхностным людям — живущим на поверхности планет. Но в глубинах планет это обычное дело: силы, с которыми атомы отталкиваются или притягиваются своими электрическими зарядами, сопоставимы с силами теплового движения. Говоря научно, кулоновские силы примерно равны тепловому движению.

Зону энергий, в которой кулоновское взаимодействие и тепловое движение примерно равны, физики даже прозвали «ничьей землей» — здесь не действуют законы плазмы, но и законам твердых тел также не место. Это физический Дикий Запад.

На 29 мая 2015 года достоверно подтверждено существование 1928 планет вне Солнечной системы. Среди них около трехсот по размерам близки к нашему Юпитеру. Оболочки таких планет обычно состоят из смеси гелия и водорода с небольшими добавками более тяжелых элементов, например металлов. Во внешней оболочке эти элементы образуют молекулярный водород, молекулы воды, метана, аммиака — всё то, что придает Юпитеру знакомый нам по фотографиям вид.

Детали внутренней структуры Юпитера до конца не ясны. Известно, что ближе к поверхности водород и гелий находятся в состояниях жидкости и газа. В самом центре — каменное ядро. А посередине вполне вероятно обнаружить то самое тёплое плотное вещество.

Металлический водород — особое состояние вещества, возникающее при очень высоких давлениях. Обладает уникальными качествами, например высокотемпературной сверхпроводимостью. Достоверных данных о получении металлического водорода в земных условиях пока не получено.

При погружении в глубину планеты — туда, где давление около миллиона атмосфер, — молекулы ионизируются, то есть от них отрываются электроны, формируя «металлическую жидкость». А что ещё глубже? Именно оно — тёплое плотное вещество, образующееся из этих жидкостей при температурах в несколько тысяч градусов. Конечно, реальность может оказаться сложнее, однако на сегодня это самая адекватная модель, по мнению учёных.

— Определенную роль в эволюции этих планет и формировании их магнитного поля могут играть электропроводность, теплопроводность тёплого плотного вещества, а также его непрозрачность, которая может влиять на перенос излучения, а следовательно, и на теплопроводность. Поэтому желательно изучить свойства тёплого плотного вещества, — объясняет Сергей Гаранин. — Имеются также гипотезы о существовании таких интересных явлений, как фазовые переходы металл-неметалл, и таких экзотических фаз, как протонные проводники, глубоко внутри таких планет, как Нептун. Изучение свойств тёплого плотного вещества помогло бы разобраться в реальности или нереальности этих гипотез.

Одно из интересных явлений, которые предположительно могут иметь место в тёплом плотном веществе, — это расслоение. Что будет, если в одном помещении опорожнить баллон гелия и баллон водорода? Правильный ответ — нужно побыстрее уходить из такого помещения, пока не рвануло. Не менее правильный ответ — газы смешаются между собой и с воздухом.

Представить себе, чтобы гелий собрался в углу, водород — в другом углу, а воздух сжался между ними, не получается. Тем не менее в тёплом плотном веществе всё происходит именно так. Изначально смешанные газы, сжатые до давления более одного миллиона атмосфер и нагретые до нескольких тысяч градусов, разделятся. Гелий отдельно, и водород отдельно. Моделирование этого эффекта, предсказанного несколько десятков лет назад, было описано в 2009 году в авторитетном научном журнале Physical Review Letters.

Газы смешиваются между собой потому, что им это энергетически выгодно. При экстремальных условиях вроде высоких температур, давлений и плотностей может получиться так, что в какой-то момент суммарная энергия станет меньше, если вещества станут жить раздельно, словно разругавшиеся супруги, подавшие на развод.

Расчёты показали, что гелий до давлений в 2,4 миллиона атмосфер не переходит в металлическое состояние, в то время как водородная жидкость переходит. В итоге неметаллическая фаза гелия соседствует с металлическим водородом. Условия для подобного явления существуют в недрах крупных планет. Это расслоение объясняет, например, слишком сильный блеск Сатурна, на 50% более яркий, чем был бы при заполнении однородным веществом.

Условия в центрах планет-гигантов очень трудно воспроизвести на Земле. Теория теорией, а без эксперимента невозможно сказать, что происходит на самом деле. Посему тайну ТПВ вскрывают в таких экзотических условиях. Взрыв фольги миллионами ампер — это успех, после которого можно начинать собственно изучение свойств этого вещества.

— Характерные показатели давлений в наших экспериментах — десятки тысяч атмосфер. В лабораториях в Сарове и Лос-Аламосе имеются мощные установки, такие как взрывомагнитные генераторы и сильноточные конденсаторные батареи, которые можно использовать для создания тёплого плотного вещества, — объясняет Сергей Гаранин. — Существующие теоретические подходы хорошо работают либо для конденсированного — твёрдого — вещества, либо для малоплотной, так называемой идеальной, плазмы. Однако область параметров тёплого плотного вещества является промежуточной между этими двумя состояниями. Поэтому описание свойств тёплого плотного вещества является проблемой теоретической физики, ждущей своего решения.

«Какова природа земного ядра? Почему Юпитер имеет сильное магнитное поле? Как перенести в земные лаборатории термоядерную энергетику звёзд? Красной нитью в поиске ответов на эти вопросы проходит изучение тёплого плотного вещества», — пишет сайт Lawrence Berkeley National Laboratory.

Мы все представляем себе, как выглядят вещества в привычных агрегатных состояниях. Вот журнал — твердое тело, вокруг нас смесь газов, а в стакане какая-нибудь жидкость. Даже плазму мы можем увидеть. А вот как выглядит тёплое плотное вещество?

— К сожалению, увидеть ТПВ без помощи специальных приборов вряд ли возможно. В этом состоит дополнительная экспериментальная проблема — проблема диагностики тёплого плотного вещества, — отвечает Сергей Гаранин. — Уровень давлений и температур ТПВ таков, что, если его чем-нибудь не удерживать, оно будет разлетаться и остывать, превращаясь в вещество с другим диапазоном параметров. В ядрах планет-гигантов оно закрыто от наблюдений слоями вещества с меньшими давлениями и температурами. Правда, в предлагаемых нами экспериментах, если ТПВ удерживать с помощью прозрачных веществ, может быть, его можно будет наблюдать в видимом диапазоне длин волн. И оно должно иметь синий или фиолетовый цвет, поскольку его температура — десятки тысяч градусов — намного выше, чем температура поверхности Солнца.

Из вышесказанного следует, что мы, в общем-то, почти ничего не знаем о тёплом плотном веществе, кроме того, что оно есть. Поэтому отвечать на традиционный вопрос о практическом применении вроде бы и бессмысленно. Однако Сергей Гаранин утверждает:

— Тёплое плотное вещество образуется в системах, испытывающих быстрый переход от твёрдого состояния в плазму. Речь может идти, например, о быстро нагреваемом под действием лазерного излучения или сильных магнитных полей веществе. Умение правильно описывать поведение вещества в этих системах потенциально может привести к новым возможностям. Так, если удастся быстро размыкать контур с током, переводя проводник в состояние тёплого плотного вещества, можно повысить используемую нагрузку. С другой стороны, при изучении физических явлений в сильных магнитных полях большое сопротивление тёплого плотного вещества может оказаться вредным: сильные магнитные поля не удастся удерживать долго в необходимом объеме. Во всех этих случаях необходимо знать физические свойства тёплого плотного вещества, что поможет правильно понимать работу технических устройств.

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №7-8 (9-10) за июль-август 2015 г.

Источник: kot.sh