3. Что такое газ, жидкость, твёрдое тело.

Разделение на арегатные состояния (фазы) вещества произошло из-за того, что они выглядят и ведут себясовершенно по-разному, хотя и остаются тем же самым веществом. Но на деле они означают степени упорядоченности и способы связывания между составляющими элементами. Дело в том, что частицы, составляющие вещество, связаны друг с другом множеством разных взаимодействий, имеющих разную силу, радиус действия, возможно, разную природу. Рост температуры вещества, а именно - скорости хаотического движения частиц, одну за другой разрывает связи между частицами. Вот и посмотрим все этапы этого.

Бозе-Эйншейновский конденсат.
Абсолютный ноль температуры вещества. Хоть частицы, составляющие атомы, продолжают своё движение, сами атомы останавливаются. Такое вещество представляет собой единое целое, сплошной монолит, в котором у каждого атома даже нет точного положения, они можно сказать перемешаны между собой. Такую фазу предсказали Эйнштейн и Бозэ ещё сто лет назад, но получена в лаборатории она была только в 2000 году.
Такое состояние вещества оказалось возможно благодаря сугубо квантовым эффектам. Ещё раньше Капица открыл состояние гелия, названное He-II, в котором часть гелия превращается в конденсат и становится сверх-текучим - он протекает сквозь любые щели, он карабкается по стенкам сосуда по градиенту температуры, его нельзя даже заткнуть резиновой пробкой, он просачивается между резиной и стеклом.
Сюда же можно отнести состояние сверхпроводимости, когда электроны в веществе также замерзают в сверхтекучую жидкость. Но про них отдельный разговор.

Твёрдые состояния.
Когда у атомов появляется хаотичное движение, когда в них попадает кинетическая энергия, и их просто распирает желание куда-нибудь улететь, их продолжает удерживать вместе та же сила, что удерживает их в молекуле - взаимодействие электронными оболочками. Они слипаются, как мыльные пузыри, склеиваясь в упорядоченную или не очень структуру. Всё же чаще форма атомов, а тем более молекул такова, что им удобнее слипнуться определёнными боками друг с другом. Так возникает кристалл. И если бы удалось вырастить идеальный кристалл, он был бы гораздо прочнее всех известных материалов, но идеальных кристаллов не бывает - они всегда перекособочены, слипшись чем попало.

Жидкие состояния.
Если атомы слиплись, но никакими упорядоченными связями между собой не обзавелись, получается жидкость. Это может быть аморфное состояние, как стекло, например. Это тоже жидкость, но она течёт очень медленно. Или у атома такая форма, что он не может выделить в себе направления, как гелий, например - он не бывает твёрдым. Но чаще мы встречаем жидкости, где связи электронных оболочек уже порваны, а удерживаются атомы так называемыми силами Ван-дер-Ваальса (Ван и дер-Ваальс - это два разных человека) между электромагнитными полями атомов. Они слабые, но действуют далеко и во все стороны сразу - это и придаёт жидкости текучесть.
Правда, если атомы собраны в молекулы, причём настолько длинные, что они, как хворост, складываются только в вязанки, то получается упорядоченная структура - кристалл, но вещество остаётся жидким. Такой материал так и называется - жидкий кристалл.

Газ.
Разогнавшись ещё сильнее (читай, нагревшись), атомы уже не могут удержаться друг за друга. Они разлетаются по всему доступному объёму, иногда сталкиваясь, но не в силах удержаться, снова разлетаются. Газовые состояния могут быть тоже не у всех - некоторые молекулы, например, скорее разрушатся, чем полетят. Но тогда получается газ из другого вещества. Но всё равно газ. Что для него характерно - это то, что большинство свойств всех газов не зависят от того, какого размера и формы составляющие его частицы - они почти не взаимодействуют друг с другом. Зато важно количество степеней свободы у частицы - на каждую из них отбирается равная доля кинетической энергии, то есть, тепла. И это позволило выяснить, например, что у одиночного атома есть только 3 степени свободы - пространственные. Вращаться он не может в принципе, он абсолютно симметричен и не состоит из некоторой твёрдой материи, которая могла бы вращаться. Молекула из двух атомов может вращаться в 2 направлениях, а вдоль её оси не может. Вот так квантовая природа вещества дала о себе знать даже в газе.

Плазма.
Частицы летают уже так быстро, что все связи между ними порваны при столкновениях. Но это не всё - столкновения между атомами отрывают от них электроны. Это очень неустойчивое состояние - электроны охотно падают обратно, излучая при этом фотон (свет, то есть), и обратно уже отрываются только при следующем соударении. Но при постоянной подпитке энергией такое состояние может жить и довольно долго. Собственно, на глаз плазма отличается от газа тем, что начинает светиться. Но отличий больше. Электроны уже обладают своей температурой, свободно летая в пространстве, которая отличается от температуры ионов (атомов с недостатком электронов) - слишком разная у них масса. Поэтому у плазмы уже сразу две температуры. Плазма крайне восприимчива к электромагнитным полям, потому что заряды разного знака разделены и летают свободно друг от друга. Этим умело воспользовались ядерщики, магнитным полем управляя плазменными нитями, разгоняя их по кругу и заставляя держаться подальше от стенок. Но плазма оказалась крайне капризна - она очень чувствительна к любым неоднородностям, излучениям, полям, кажется, она только и ищет возможности пойти не так, как того хотят исследователи, и взорваться ярким излучением, разом раскидав так старательно накачанную в неё энергию. Впрочем, это тоже вполне успешно использовали, но уже в других целях.

Кварк-глюонная плазма.
Следующее по силе взаимодействие, которое можно разорвать - это сильное ядерное взаимодействие, но порвав ядро в куски, можно получить только обычную водородную или гелиевую плазму. А вот следующей интересной формой вещества оказалась такая, которая образуется при разрыве хромодинамических связей между кварками, составляющими частицы ядра. Получается кварк-глюонная плазма, которая требует просто бешенных температур для своего устойчивого существования и огромного притока энергии. Это оказалось что-то вроде жидкой плазмы, схожей с нашей, газообразной, но пока о ней почти ничего не известно, она была получена экспериментально лишь совсем недавно.

Космическая плазма.
Самое слабое, но самое дальнодействующее взаимодействие - гравитационное, тоже участвует в формировании структуры вещества. Только в тех случаях, когда все остальные связи разорваны не скоростью, но расстоянием. Частицы занимают гигантское пространство, ничем не взаимодействуя друг с другом, пролетая на колоссальных расстояниях друг от друга, почти никогда не сталкиваясь, но тем не менее, собираясь в сгустки исключительно силой гравитации. Ионизированные частицы там могут очень долго оставаться ионизированными, так и не встретив себе в пару электрона, поэтому это состояние можно считать плазменным, но его свойства существенно отличаются от свойств нашей, земной плазмы.

Нейтронное вещество.
Фазовые переходы между состояниями вещества можно осуществлять не только с помощью температуры, но и с помощью давления - при некоторых температурах можно одно и то же вещество провести через несколько фаз, меняя только давление. Но можно получить и новые формы. Одну из них, образующуюся при крайне низких давлениях - космическую плазму, мы только что рассмотрели. А вот если повысить давление так, что удастся продавить электронные оболочки атомов, а сами электроны анигилируют с протонами, образовав нейтроны, образуется нейтронное вещество. Там больше нет атомов, это одно большое атомарное ядро. Слипшиеся нейтроны ведут себя как жидкость. Так же они ведут себя и рядом с протонами, находясь в ядрах атомов.

Сингулярность.
Чёрная дыра, в которой вновь обретает власть гравитация, но не из-за того, что расстояния велики, а наоборот, из-за того, что очень много массы оказалось на маленьком расстоянии друг от друга. Это форма вещества, о которой мы ничего не знаем кроме того, что она существует.