Các Trạng Thái của Vật Chất — Rắn, Lỏng, Khí, Plasma như các Chế độ Đồng pha

Nước, đá và hơi là cùng các phân tử H₂O — chỉ sự tổ chức khác. Sự thật thực nghiệm này đã được biết trong nhiều thế kỷ nhưng cơ chế cơ sở của nó thường không được giải thích sâu. SPT cung cấp bức tranh: sự khác biệt giữa rắn, lỏng, khí và plasma không phải loại vật chất; đó là độ sâu của tích hợp đồng pha giữa các phân tử. Cùng các node, cùng các nguyên tử, cùng các phân tử — các cấu hình khớp pha khác nhau sản sinh các tính chất khối khác nhau.

Rắn — các phân tử bị khoá vào đồng pha cứng

Trong một chất rắn, các vị trí tương đối của các phân tử được cố định bởi sự khoá pha lẫn nhau sâu. Các sự lật và xoay của mỗi phân tử được tích hợp vào cấu trúc tinh thể hoặc vô định hình lớn hơn; chuyển động chủ yếu bị giới hạn vào các dao động nhỏ quanh các vị trí mạng cố định. Hình dạng và thể tích ổn định vì trạng thái pha tích hợp không thể dễ dàng tự sắp xếp lại.

• Các chất rắn tinh thể (muối, kim cương, đá, kim loại) có các phân tử được sắp xếp trong các mẫu pha lặp lại có thứ tự cao. Thứ tự là thực và có thể quan sát được bằng nhiễu xạ tia X; nó phản ánh cấu hình đồng pha tối ưu toàn cục mà các phân tử tập thể đã ổn định vào.
• Các chất rắn vô định hình (thuỷ tinh, nhựa) có các phân tử bị khoá lại với nhau nhưng không có thứ tự tầm xa. Đồng pha của chúng cục bộ sâu nhưng toàn cục không đều — các phân tử đông cứng trước khi chúng có thể tìm cấu hình tối ưu. Thuỷ tinh là một chất lỏng đông cứng nhanh theo nghĩa này.
• Vì sao các chất rắn cứng và có hình dạng xác định: đồng pha bị khoá sâu kháng cự bất kỳ sự sắp xếp lại nào; đẩy một phân tử đẩy toàn bộ mạng tích hợp qua mạng khớp nối đồng pha. Sự cứng là sự cứng pha tập thể, không phải sự cứng phân tử cá nhân.

Lỏng — các phân tử khớp pha nhưng tự do chảy

Trong một chất lỏng, các phân tử vẫn duy trì khớp pha đáng kể với hàng xóm của chúng — chúng không độc lập — nhưng khớp nối yếu hơn nhiều so với trong một chất rắn và dễ sắp xếp lại khi các phân tử trượt qua nhau. Một chất lỏng là chế độ mà tại đó đồng pha cục bộ nhưng không bị khoá cứng. Các phân tử giữ tiếp xúc gần (do đó chất có thể tích xác định) nhưng thiếu sự tích hợp mạng toàn cục (do đó chất không có hình dạng cố định và thích nghi với bình chứa của nó).

• Vì sao các chất lỏng chảy: khớp pha yếu cho phép các phân tử trượt qua nhau với chi phí năng lượng thấp. Sự chảy là lớp phủ liên tục sắp xếp lại các cấu hình pha cục bộ khi chất khối di chuyển.
• Vì sao các chất lỏng có thể tích xác định: khớp pha giữa các phân tử lân cận vẫn đủ mạnh để chúng giữ tiếp xúc, dù chúng có thể sắp xếp lại. Nén một chất lỏng khó vì buộc các phân tử gần hơn khoảng cách ưu tiên khớp pha của chúng sinh sự đẩy trái pha mạnh.
• Sức căng bề mặt phát sinh vì các phân tử ở bề mặt của một chất lỏng có các hàng xóm khớp pha chỉ ở một phía (bên dưới), nên chúng bị kéo vào trong bởi khớp pha không cân bằng. Sức căng bề mặt là xu hướng hình học của một chất lỏng để tối thiểu hoá diện tích mất-cân-bằng-pha của nó.
• Độ nhớt đo chất lỏng kháng cự sự chảy mạnh đến mức nào — tức là, bao nhiêu khớp pha phải bị gián đoạn tạm thời để trượt một lớp qua lớp khác. Mật ong có độ nhớt cao (khớp pha liên-phân-tử mạnh); nước có độ nhớt thấp (khớp nối yếu hơn).

Khí — các phân tử khớp pha rất ít, di chuyển tự do

Trong một chất khí, tốc độ lật của các phân tử cao đến mức khớp pha giữa các phân tử lân cận hầu như không tồn tại giữa các va chạm. Các phân tử di chuyển độc lập trong phần lớn thời gian, đôi khi nảy khỏi nhau trong các sự kiện khớp-và-tháo-pha ngắn. Một chất khí là chế độ mà tại đó đồng pha giữa các phân tử về cơ bản vắng mặt trừ trong các va chạm thoáng qua. Chất không có hình dạng xác định cũng không có thể tích xác định; nó mở rộng để lấp đầy bất kỳ bình chứa nào.

• Áp suất trong một chất khí là tốc độ tích luỹ mà các phân tử khí va chạm với các bức tường của bình chứa. Mỗi va chạm là một sự kiện khớp-và-tháo-pha ngắn truyền động lượng đến bức tường. Nhiệt độ cao hơn = các phân tử nhanh hơn = các va chạm thường xuyên hơn và mạnh hơn = áp suất cao hơn.
• Vì sao các chất khí có thể nén được: không gian trống lớn giữa các phân tử có nghĩa là có nhiều chỗ để đẩy chúng gần nhau hơn trước khi đẩy khớp-pha bắt đầu. Chất lỏng và rắn không thể nén được vì các phân tử của chúng đã ở trong tiếp xúc khớp pha.
• Định luật khí lý tưởng ($PV=nRT$) là biểu thức trung bình khối của các động học va chạm này. SPT khôi phục định luật khí lý tưởng như giới hạn vĩ mô của hàng nghìn tỷ các sự kiện khớp-và-tháo-pha ngắn giữa các Mẫu phân tử pha-khí.

Plasma — cấu trúc nguyên tử bị tan bởi tốc độ lật cực đoan

Ở nhiệt độ cực cao (hàng nghìn Kelvin và cao hơn), tốc độ lật của các node cao đến mức ngay cả đồng pha giữ các electron trong các quỹ đạo nguyên tử bị phá vỡ. Các electron bị tước khỏi các hạt nhân của chúng và lang thang tự do như một biển các Node Thái Cực tích điện xen kẽ với các hạt nhân trần. Đây là plasma — trạng thái thứ tư của vật chất, và trạng thái phổ biến nhất trong vũ trụ nhìn thấy (các sao, gió mặt trời, các ống huỳnh quang, sét).

Plasma dẫn điện vì các electron tự do mang các dòng phase-displacement rất dễ dàng mà không có các hạt nhân để neo chúng. Nó phát sáng vì sự tái hợp nhanh của các electron với các hạt nhân (và sự tán xạ nhanh giữa các điện tích) sản sinh các sự kiện lật liên tục giải phóng các photon. Nó phản ứng với từ trường vì các điện tích tự do được dẫn động trực tiếp bởi sự quay pha từ. Các sao, vầng hào quang Mặt Trời, sét, các biển hiệu neon, các lõi lò phản ứng nhiệt hạch — tất cả là các trạng thái plasma của vật chất, với cùng cơ chế SPT cơ sở: quá nhiều tốc độ lật để giữ cấu trúc nguyên tử với nhau, nhưng các node cơ sở vẫn ở đây, chỉ tách ra.

Các trạng thái kỳ lạ — ngưng tụ Bose-Einstein, vật chất neutron, plasma quark-gluon

Ngoài bốn trạng thái cổ điển, các chế độ đồng pha kỳ lạ hơn tồn tại:

• Ngưng tụ Bose-Einstein (cực lạnh, gần không tuyệt đối): các Mẫu nguyên tử hợp nhất thành một trạng thái lượng tử đồng pha chia sẻ duy nhất nơi nhiều nguyên tử hành xử như một đơn vị khoá-pha khổng lồ. Đồng pha sâu nhất có thể ở cấp nguyên tử. SPT tiên đoán các trạng thái này nên khả thi vì quy luật khớp nối đồng pha không có giới hạn nhiệt độ thấp hơn; chúng được sản xuất thực nghiệm lần đầu năm 1995.
• Vật chất neutron (bên trong các sao neutron): áp suất cực đoan đến mức các electron bị buộc kết hợp với các proton để tạo các neutron. Chất trở thành các neutron khớp pha thuần ở các mật độ tiếp cận mật độ hạt-nhân-nguyên-tử. Bản thân sao neutron là một Mẫu mật-độ-hạt-nhân khổng lồ duy nhất.
• Plasma quark-gluon (trong các microsecond đầu tiên sau Big Bang, hoặc trong các thí nghiệm máy va chạm ion nặng): ngay cả các nucleon tan thành một súp các quark tự do và các khớp nối pha trung gian gluon. Chế độ trạng thái-vật-chất sâu nhất mà vật lý đến nay đã đạt đến. SPT tiên đoán không có trạng thái năng lượng thấp hơn cơ bản vì các node cơ sở không thể tan.

Các trạng thái của vật chất trong một đoạn