Если говорить не только о веществе, а вообще о материи, то в число ее состояний придется включить и пустое пространство. Развитие науки привело к выводу, что пространство обладает определенными физическими свойствами и каждое тело меняет свойства окружающего его пространства. Такое изменение пространства проявляется, например, когда различные тела притягиваются или отталкиваются. Электрические заряды и токи создают вокруг себя электромагнитное поле. Переменное электромагнитное поле распространяется в пространстве как радиоволны, а ведь у них та же природа, что и у света, и у рентгеновских,и у гамма-лучей. Все это электромагнитные излучения с различной длиной волны. Современная физика пришла к выводу, что не только электромагнитное, но и всякое другое взаимодействие распространяется в пространстве как поле, которое можно считать полем излучения. Строго доказано, что все взаимодействия передаются не мгновенно, а со скоростью света.
Опыт показал, что вещество и излучение — две формы существования материи. Вещество может превращаться в излучение, так же как и излучение в вещество. Можно было бы сказать, что седьмое состояние материи — это излучение. Но оказывается, что излучение — неотъемлемое свойство самого пространства. Пространство не может существовать без излучения. Современное понятие о пространстве далеко от чистой геометрии.
Чем больше энергии вложено в вещество, тем более необычайные состояния это вещество принимает. Интересно посмотреть, что же должно произойти при самой большой мыслимой плотности энергии. Ученые предполагают,
что при таких условиях любое столкновение частиц вызовет образование пары. Каждая такая пара должна состоять из частицы и античастицы, которые похожи друг на друга как предмет и его зеркальное изображение, но если у них есть заряды, то заряды эти противоположны. Сначала должны образовываться пары электрон — позитрон, а при еще более высокой плотности энергии — пары нуклон — антинуклон (т. е. протон — антипротон и нейтрон—антинейтрон). Быть может, при каких-либо космических катастрофах получается такая смесь частиц и античастиц. Так как заряды у частиц и античастиц противоположны, то смесь эта должна быть несколько похожей на плазму; ее и назвали эпиплазмой (т. е. сверхплазмой). Пока нет никаких доказательств, что в природе существует эпиплазма. Это — шестое возможное состояние вещества.
Четыре состояния, о которых мы говорили, существуют в окружающей нас природе. Но
возможны и другие состояния вещества. Они открыты, как говорится, на кончике пера теоретиков. Советский физик Л. Д. Ландау предсказал, что при очень высокой плотности вещества электроны должны как бы вжиматься в протоны атомных ядер: все нуклоны в ядре станут нейтронами, и вещество перейдет в нейтронное состояние. Плотность вещества при этом станет в сотни миллиардов раз больше, чем в тех состояниях, к которым мы привыкли. Астрономы иногда наблюдают яркие вспышки так называемых сверхновых звезд. Предполагают, что такая вспышка — колоссальный взрыв, при котором внешние слои звезды разлетаются, а внутренность сжимается и переходит в нейтронное состояние. На месте взрыва должна остаться крохотная нейтронная звезда. Астрономы усиленно ищут нейтронные звезды; нелегко обнаружить такое маленькое небесное тело. Но ученым известно, какими примерно свойствами должны обладать такие нейтронные звезды. Подсчитано, например, что они должны «светиться» рентгеновскими лучами. Чтобы поймать рентгеновские лучи, нужно посылать приборы на ракетах: через воздух эти лучи не проходят. И вот приборы на ракетах показали, что рентгеновские лучи идут от Крабовидной туманности. А нам известно, что в 1054 г. там, где теперь находится эта туманность, китайские ученые наблюдали появление новой яркой звезды. Предполагается, что там произошел звездный взрыв.
Пока мы занимались веществом при обычных на поверхности Земли температурах, можно было частицами этого вещества считать молекулы и атомы. Но у атома тоже есть внутреннее строение. Он состоит из ядра, заряженного положительным электричеством, и отрицательно заряженных электронов. Если любое вещество нагревать до очень высокой температуры или пропускать через него сильный электрический ток, его электроны начинают отрываться от атомов. То, что остается от атома после отрыва электрона, имеет положительный заряд и называется ионом, сам процесс отрыва электронов от атомов называется ионизацией. В результате ионизации получается смесь свободных
частиц с положительными и отрицательными зарядами. Эту смесь назвали плазмой.
Не нужно думать, что под стеклом в науке подразумевается только обычное прозрачное оконное или посудное стекло. В стеклообразном состоянии можно получить многие вещества. Внешними признаками это состояние похоже на твердое (объем и форма сохраняются), но дальний порядок в расположении частиц отсутствует. Исходя же из внутреннего строения вещества, надо считать, что стекло — это жидкость, но настолько вязкая, что это свойство заставляет ее сохранять свою форму. При нагревании вязкость жидкостей уменьшается. Стекло при нагревании становится постепенно все более текучим, пока не приобретет и внешние признаки жидкости. Мы говорим, что стекло «расплавилось». Но в отличие от истинного твердого тела, т. е. кристалла, невозможно точно сказать, при какой именно температуре произошло «плавление» стекла. Свойства его меняются при нагревают постепенно и непрерывно, в отличие от свойств кристалла.
Всякая вязкая жидкость, например глицерин, при сильном охлаждении загустевает и переходит в стеклообразное состояние. Возникает вопрос: а нельзя ли перевести такую жидкость в кристаллическое состояние? Во время Отечественной войны в очень суровую зиму на подъездных путях одного из казанских заводов надолго задержалась цистерна с глицерином. Когда наконец цистерну подали под разгрузку, к великому удивлению работников завода, в ней оказалось какое-то странное кристаллическое вещество, вовсе не похожее на глицерин. Ученые из институтов Академии наук, эвакуированных в то время в Казань, стали исследовать загадочное вещество. Оказалось, что по химическому составу это был глицерин, но только кристаллический. Итак, глицерин закристаллизовался! Затем в старых научных журналах нашли сообщение о подобном же случае, происшедшем много лет назад.
Можно определять эти состояния по внешним признакам: твердое тело сохраняет как объем, так и форму; жидкость сохраняет объем, но не сохраняет форму, газ не сохраняет ни то, ни другое. Но правильнее исходить не из внешней формы, а из внутреннего строения вещества. Все вещества состоят из молекул, а молекулы — из атомов. Сложное вещество содержит различные элементы, его молекула обязательно состоит из нескольких различных атомов. Молекула же простого вещества может быть построена из двух или нескольких одинаковых атомов. Так, например, в каждой молекуле азота, кислорода, водорода два одинаковых атома. Но в молекулах инертных газов — гелия, неона, аргона — только по одному атому. Можно сказать, что они состоят из свободных атомов, но эти свободные атомы можно также называть и молекулами. Таким образом, при обычной для нас температуре все тела состоят из молекул.
Состояния вещества с точки зрения молекулярного строения различаются мерой порядка в расположении и движении молекул. Проще всего понять, что такое газ. В нем молекулы располагаются и движутся без какого-либо порядка. Если молекулы сравнить с людьми, то газ подобен беспорядочной толпе перепуганных людей, бегающих в панике по всем направлениям. Противоположность газу — тело, в котором молекулы «выстроились» в строгом порядке, как вымуштрованные солдаты. Такое упорядоченное тело — кристалл. Зная расположение одной частицы в кристалле, можно точно рассчитать, где находится не только соседняя, но и самая далекая частица. Это положение выражают определением: «В расположении частиц кристалла есть дальний порядок». Труднее понять природу жидкого состояния. В жидкости каждая частица связана со своими соседями, но только с соседями. Иными словами, в жидкости есть ближний порядок, но нет дальнего.
Тепло — это проявление движения молекул. Неподвижными они могли бы быть только при температуре абсолютного нуля. Но ведь в кристалле каждая частица занимает вполне определенное положение. Разгадка в том, что частицы в нем все же совершают колебательные движения. Когда мы говорим о положении такой частицы в кристалле, нужно понимать, что это — положение равновесия, вокруг которого частица колеблется, подобно маятнику. Пока размах (амплитуда) колебаний гораздо меньше, чем расстояние между соседними частицами, общий порядок сохраняется.
Мы привыкли видеть вокруг себя три состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Условия, с которыми мы встречаемся на поверхности нашей планеты, кажутся нам обычными. Часто так и говорят: «При обычной температуре вода находится в жидком состоянии, железо — в твердом, а воздух — в газообразном». Но эта температура обычна только для обитателей Земли, да и то не для всех. Для того, кто живет в Арктике, обычное состояние воды — твердое: он имеет дело с водой в виде льда. Если же смотреть на вещи не с нашей узкой, земной, а с космической точки зрения, то на первый план выходят другие, непривычные для нас состояния вещества, которыми наука стала заниматься только в последние десятилетия. Но раньше, чем рассказывать об этих состояниях, взглянем более пристально на уже привычные для нас состояния вещества.
Первый за актиноидами. В эпоху географических открытий людей пытливых и смелых манили к себе белые пятна на картах. За ними скрывались неведомые страны.
Какими же картами и лоциями руководствовались мы, физики, намечая трассу к новым, еще неизвестным элементам — к белым пятнам таблицы периодической системы Менделеева? Это прежде всего сама система элементов.
На рис. 1 изображена часть таблицы Менделеева. После 88-й клетки идет клетка 89—103. В ней расположены все трансурановые элементы — от 93 до 103-го. Они входят в ряд актиноидов и, как вы знаете, созданы человеком. Все члены ряда мало отличаются друг от друга химическими свойствами и находятся в одной клетке. А какой элемент займет соседнюю, расположенную под гафнием? Ведь он должен обладать замечательными свойствами, должен резко отличаться от своих предшественников — актиноидов.
Теория предсказывала, что таким элементом будет 104-й. Его поведение в химических реакциях должно напоминать гафний. Экагафний — такое имя дал бы ему Д. И. Менделеев.
Если теоретические прогнозы подтвердятся и 104-й окажется аналогом гафния, то это будет новым триумфом периодической системы Менделеева. Но чтобы проверить это, нужно было создать не существующее на Земле ядро нового элемента.
Свойства ядра 104-го элемента. Напомним, что номер элемента в периодической системе равен числу протонов, входящих в его ядро. Число нейтронов в ядре того же самого элемента может меняться, а значит, могут существовать атомы элемента с разным количеством нейтронов.
Физики установили: каждой из элементарных частиц (кроме фотона) соответствует парная ей античастица с равной массой и противоположным зарядом. Античастица для отрицательного электрона — положительный позитрон. У протона есть свой отрицательный антипротон. Нейтральному нейтрону соответствует тоже нейтральный антинейтрон, они различаются магнитными свойствами. У атомов нашего мира ядра сложены из протонов и нейтронов, их внешние оболочки — из электронов. А может ли быть все наоборот? Как в старой английской детской сказке о девочке, попавшей в мир Зазеркалья. Возможны ли атомы, у которых будут антиядра из антипротонов и антинейтронов, а вместо электронов вокруг антиядер будут вращаться античастицы — позитроны. Возможен ли физически антимир, состоящий из таких антиатомов?
Да, физики считают, что вполне возможен. Мало того, такой мир даже будет неотличим от того, в котором мы живем. Свет от антизвезд будет в точности таким же, как и от обычной звезды. У фотонов — световых квантов — никаких антифотонов нет. Свет, испускаемый любым атомом, будет абсолютно тождествен свету от аналогичного антиатома. Но пока никто не знает, существуют ли во Вселенной антимиры.
Иногда из глубин Вселенной заходят в нашу солнечную систему очень странные кометы, и их поведение заставляет некоторых ученых думать, что они состоят из антивещества. Далеко, в недоступных глубинах космоса, существуют «радиозвезды». Одна из таких звезд — Лебедь-А — обладает такой невероятной интенсивностью излучения, что его легче всего можно объяснить тем, что в созвездии Лебедя происходит величайшая катастрофа: столкновение двух галактик, двух миров — нормального мира и антимира. Никто пока не может сказать, верно ли это. Вероятнее всего, что излучение Лебедя-А будет объяснено. Но все равно проблема антивещества остается, и наука сейчас усиленно ищет возможность обнаружить антимиры во Вселенной. Один такой путь уже намечен. Он исключительно труден, настолько труден, что, может быть, никогда и не будет осуществлен. Это — путь нейтринной астрономии.
Высоко, на границе стратосферы, ученые нашли очень странные атомные ядра. Быть может, это «гости» из неведомых глубин космоса. Построены они весьма необычно. Атомные ядра всех элементов состоят из нейтронов и протонов, а в этих ядрах один из нейтронов замещен необычной частицей, одной из тех частиц, которых физики, от удивления перед их странными свойствами, назвали «странными». Более точное название этой частицы ламбда-нуль-гиперон. Найдено уже немало легких ядер гипер-изотопов: гипер-водорода, гипер-гелия, гипер-лития, гипер-бериллия, даже гипер-углерода. По-видимому, они рождаются в космических лучах. Живут они всего 10-10 — 10-11 секунды и очень странным образом исчезают: каждое гипер-ядро может распадаться двумя различными способами. Это — особенность только «странных» частиц.