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.

 

Вы – то, что вы едите

 

Но откуда же взялись все эти вещества? Где были эти атомы, прежде чем попасть в ваше тело? На протяжении веков они циркулировали по всей планете, вступая в самые разнообразные реакции. Например, тело человека содержит значительное количество углерода. Откуда он появился? Из употребляемых в пищу растений и животных, а в них он попал из других растений и животных. Если пройти по этой пищевой цепи до самого конца, то окажется, что источником всего углерода являются растения. А откуда они его взяли? Из воздуха.

Растения обладают удивительным свойством добывать для себя строительные материалы из воздуха. Мы привыкли считать углекислый газ чем‑то вредным, поскольку он создает парниковый эффект, но учтите, что основное количество углерода, содержащегося в растениях, поступает к ним из атмосферной двуокиси углерода. Это так же верно, как и то, что растения производят кислород, благодаря которому мы можем дышать.

Итак, прежде, чем попасть в организм животных и растений, часть атомов находилась в воздухе, часть в земле и часть в воде. Давайте заглянем еще дальше. Часть атомов входила в состав тел людей, живших до нас. В человеческом организме содержится так много атомов (7 × 1027), что рано или поздно многие из них обязательно окажутся в других людях. В вашем теле есть атомы королей и королев, доблестных рыцарей и придворных шутов.

Некоторые утверждают, что при каждом вдохе в наши легкие попадают один‑два атома, которыми дышала Мэрилин Монро. Да, атмосфера достаточно сильно перемешивается, и часть воздуха, который выдохнули другие люди, попадает к нам в легкие. Но атомы, побывавшие в груди у Мэрилин, вряд ли распространяются по земному шару с такой скоростью, чтобы попасть в организм абсолютно каждого человека. Кому‑то они достанутся, а кому‑то и нет. Однако через несколько сотен лет можно будет с уверенностью сказать, что молекулы Мэрилин присутствуют в теле каждого человека.

 

Атомы, которые старше Земли

 

Атомы, из которых состоит ваше тело, переходили из одного организма в другой с самого момента зарождения жизни, то есть более трех миллиардов лет. Древнейшим окаменелым остаткам живых существ примерно 3,2 миллиарда лет. Этот срок можно смело отодвинуть еще на несколько сотен миллионов лет назад, так как уже тогда на планете имелись все химические вещества, из которых зародилась жизнь. Но они не взялись ниоткуда. Земля как планета сформировалась 4,5 миллиарда лет назад (правда, из космоса до сих пор прибывает все новое вещество в виде метеоритов).

До этого все атомы в течение многих миллиардов лет плавали в космосе. Некоторые из них существуют с момента рождения Вселенной. Все атомы водорода, а также часть атомов гелия и лития берут свое начало от Большого взрыва, который, как считается, породил нашу Вселенную. Они появились, когда Вселенная уже настолько остыла, что из чистой энергии начала формироваться материя. Таким образом, весь водород в воде и органических молекулах, из которых состоит ваше тело, существует с момента рождения Вселенной.

Спустя некоторое время под действием силы тяжести водород начал образовывать скопления, из которых появились звезды. Поначалу они сжигали водород, превращая его в гелий. После того как бо́льшая часть водорода была израсходована, звезды начали потреблять гелий, превращая его во все более тяжелые элементы вплоть до железа. Именно тогда и появились такие необходимые для жизни элементы, как углерод и кислород.

Еще позже некоторые из звезд стали настолько нестабильными, что взорвались. Эти катастрофические взрывы называют рождением сверхновых. Обычным звездам не хватает энергии, чтобы произвести элементы тяжелее железа, но взрыв сверхновых порождает такую энергию, что в них могут формироваться все элементы вплоть до урана – самого тяжелого из встречающихся в природе веществ.

Это означает, что вы в буквальном смысле состоите из звездной пыли. Атомы волоса, который вы держите в руке, и все остальные атомы вашего тела появились либо во время Большого взрыва 13,7 миллиарда лет назад, либо внутри звезд 7–12 миллиардов лет назад. Они имеют невероятно древнее происхождение. Мы привыкли считать, что Вселенная – это сфера интересов астрономов и что она слишком далека и никак не связана с нашей земной жизнью. Однако каждый атом вашего тела когда‑то прибыл из космических далей.

 

Сияние звездной пыли

 

Каждый человек представляет собой уникальное существо, так как атомы для Вселенной – это редкость. На самом деле их не так уж и много. Возможно, вам трудно в это поверить, если учесть, сколько звезд и галактик мы можем наблюдать на небе, но пустого пространства во Вселенной гораздо больше. Предполагается, что во Вселенной содержится примерно 1080 атомов, причем только в той ее части, которая доступна нашему наблюдению. Расстояния в космосе принято измерять световыми годами, то есть дистанцией, которую свет проходит за год. Поскольку он движется со скоростью 300 тысяч километров в секунду, протяженность светового года составляет около 9,5 триллиона километров. Мы можем наблюдать Вселенную в пределах около 90 миллиардов световых лет.

Мы говорим о видимой части Вселенной, поскольку никто в точности не знает, насколько она велика. Правда, существует немало свидетельств того, что Вселенная образовалась 13,7 миллиарда лет тому назад (вообще‑то чуть меньше, но пусть вас это не беспокоит). Если бы она до сих пор существовала в неизменном состоянии, то ее видимый поперечник составлял бы около 27 миллиардов световых лет, но Вселенная с самого момента своего возникновения непрерывно расширяется. Поэтому точка, из которой свет стартовал 13,7 миллиарда лет назад, теперь отстоит от нас примерно на 45 миллиардов световых лет.

Вселенная настолько велика, что если равномерно распределить все атомы по ее пространству, то на 6250 кубических метров будет приходиться примерно один атом кислорода. Среди компонентов тела человека первое место по массе занимает вода, а бо́льшая часть массы воды приходится как раз на кислород. Таким образом, среди всех элементов, из которых состоит ваше тело, на первом месте находится кислород (примерно 65 процентов). Таким образом, если бы вся материя распределялась во Вселенной равномерно, то чтобы собрать для вас требуемое количество кислорода, пришлось бы прочесать свыше 9 × 1030 кубических метров пространства. Это куб, каждая из сторон которого имеет длину 20 миллионов километров, что более чем в 50 раз превышает расстояние до Луны.

Еще раз задумайтесь о волосе. Многие люди гордятся своим генеалогическим древом, охватывающим всего несколько поколений. Если семья живет в своем доме на протяжении, скажем, 400 лет, то ее члены считают себя совершенно особенными людьми. Но волос, который вы держите в руке, состоит из атомов, многие из которых родились в момент Большого взрыва и пришли к нам из глубин космоса. Любому из них не менее пяти миллиардов лет. Вот это истинная древность.

Как мы уже установили ранее, ваш волос мертв. Настало время перейти к чему‑то более живому. А что может быть живее, чем кровь?

 

 

Заключенные в клетках

 

Всем известно, что из резаной раны вытекает кровь. Если у вас есть под рукой стерильная игла и вы не боитесь уколоть подушечку своего большого пальца, чтобы внимательно рассмотреть каплю крови, можете так и сделать (разумеется, если у вас нет заболеваний, которые делают такой эксперимент опасным). Однако в этом нет большой необходимости. Если же вы все‑таки решитесь, то боль от укола, возможно, вызовет у вас желание выругаться. Не стесняйтесь, в этом нет ничего страшного.