Před 15 lety američtí vědci oznámili, že vytvořili novou, šestou formu hmoty, takzvaný fermionický kondenzát. Do té doby vědci rozeznávali pět skupenství hmoty: plynné, kapalné, pevné, plazmu a Boseho-Einsteinův kondenzát, který byl objeven v roce 1995.
Na konci ledna 2004 zasáhla vědecký svět zpráva, která vedla k přepisování učebnic. Fyzici z Coloradské univerzity oznámili, že se jim povedlo vytvořit novou, doposud nepopsanou formu hmoty. Dali jí jméno fermionický kondenzát.
Patří mezi exotická skupenství, která mohou existovat jen ve výjimečných podmínkách. Ty na Zemi normálně neexistují, takže je lidstvo až do konce 20. století neznalo. Právě proto vědci museli fermionický kondenzát vytvořit, objevit a popsat v laboratoři, a to při extrémně nízké teplotě.
Experti z Coloradské univerzity ochladili pouhých 40 atomů draslíku v plynném skupenství, které byly zachycené v laserovém paprsku. Povedlo se je přivést na teplotu blízkou absolutní nule, tedy 273,15 stupňů Celsia pod nulou. Částice se v takovém chladu přestaly pohybovat, vědci je pak ještě bombardovali magnetickým polem. Výsledkem byl nový druh hmoty, který fungoval jako supravodič – to znamená, že přenášela energii absolutně bez ztráty.
Skupenství jsou přece jen tři
Na základních školách se děti učí, že skupenství jsou tři – pevná látka, kapalina a plyn. Už na středních školách se ale děti dozví o dalším skupenství, jímž je plazma. Ale pokud jsou to děti zvídavé, nebo pokračují ve studiích na univerzitě, naučí se, že všechno je ještě mnohem složitější a skupenství je šest – anebo možná také ještě mnohem více.
Skupenství totiž znamená způsob, jakým jsou částice uspořádané v látce. Pokud se to změní, změní se i vlastnosti hmoty. Látka v „normálním“ pevném skupenství má částice pevně uspořádané, mnohdy jsou dokonce uspořádané pravidelně. Tělesa v pevném skupenství díky tomu mohou držet svůj tvar – na rozdíl od situace, kdy jsou ve skupenství tekutém.
Jako kapalina už drží částice jen slabšími silami, kterou nejsou tak uspořádané. Proto tekutiny neudrží samy tvar – ale nejsou ani stlačitelné. Třetím „klasickým“ skupenstvím je plyn; jeho částice už nejsou drženy žádnými vazbami, takže spolu nějak reagují, když se srazí. Proto je plyn prchavý a snadno se mísí s jinými okolními plyny.
Čtvrtým skupenstvím je plazma, což je ionizovaný plyn se zvláštními vlastnostmi. Kolem nás ho pozorujeme jen málokdy – nejčastěji například v blescích, ale třeba také v zářivkách nebo elektrickém oblouku. Přesto jde zřejmě o nejrozšířenější skupenství v kosmu – tvoří drtivou většinu pozorované hmoty ve vesmíru. Plazma totiž tvoří hvězdy i mlhoviny.
Exotická skupenství hmoty
Roku 1924 předpověděli Albert Einstein a indický fyzik Šatendranáth Bose, že by mohlo existovat další skupenství hmoty, a to za teploty blízké úplné nule – vyznačovalo by se tím, že normálně neviditelný kvantový efekt by byl u něj pozorovatelný i na makromolekulární úrovni. Dostalo jméno Boseho-Einsteinův kondenzát.
Sedmdesát let patřila tato hmota jen do knih teoretické fyziky, ale 5. června 1995 se podařilo dvěma americkým fyzikům tuto látku vytvořit. Od té doby ho vědci intenzivně zkoumají. Experimenty s Boseho-Einsteinovým kondenzátem nyní probíhají také už na Mezinárodní vesmírné stanici.
Kromě těchto šesti popsaných skupenství hmoty vědci někdy považují za jedinečná skupenství také několik dalších stavů hmoty, které většinou vznikají za nějakých extrémních teplotních podmínek – ať už za výjimečného chladu, nebo v extrémním teple. Patří mezi ně například kvarkgluonové plazma, supratekutost, Fermiho plyn, degenerovaný elektronový plyn nebo takzvaná Rydbergova molekula. Ale vlastní skupenství by mohla mít třeba také nikdy nepozorovaná temná hmota.
Bude chleba levnější?
Přestože se jedná z běžného pohledu o zcela exotický výzkum, ve skutečnosti může mít obrovský dopad. Pokud by se podařilo pochopit, jak funguje hmota na kvantové úrovni, mohlo by to mít obrovské praktické dopady na vznik nových materiálů s netušenými vlastnostmi, ale i na způsob, jak lidstvo hospodaří s energií.
Jednou z vlastností, která se u exotických skupenství hmoty objevuje, je totiž supravodivost – tedy schopnost přenášet energii bez jakýchkoliv ztrát.
