Các trạng thái vật lý

Trong vật lý học, trạng thái vật chất là các hình thức khác nhau mà vật chất có thể tồn tại. Bốn trạng thái phổ biến mà chúng ta thấy hàng ngày là rắn, lỏng, khí và plasma (hay còn gọi là li tử). Ngoài ra, còn có các trạng thái trung gian như tinh thể lỏng, hay những trạng thái chỉ xuất hiện trong điều kiện cực kỳ khắc nghiệt như ngưng tụ Bose-Einstein, vật chất thoái hóa neutron và plasma gluon quark (chỉ xảy ra trong điều kiện cực kỳ lạnh, mật độ cao và năng lượng cao). Để biết đầy đủ các trạng thái đặc biệt của vật chất, xem danh sách các trạng thái của vật chất.

Trong lịch sử, các trạng thái vật chất được phân biệt dựa trên sự khác biệt về tính chất. Vật chất ở trạng thái rắn duy trì thể tích và hình dạng ổn định, với các hạt (nguyên tử, phân tử hoặc ion) gần nhau và cố định. Vật chất ở trạng thái lỏng có thể giữ thể tích cố định nhưng hình dạng có thể thay đổi để phù hợp với bình chứa của nó. Các hạt trong chất lỏng gần nhau nhưng có thể di chuyển tự do. Vật chất ở trạng thái khí có thể thay đổi thể tích và hình dạng tùy thuộc vào bình chứa, với các hạt không gần nhau và không cố định. Vật chất ở trạng thái plasma có thể thay đổi thể tích và hình dạng, chứa các nguyên tử trung tính cùng với nhiều ion và electron, cả hai đều có thể di chuyển tự do.

Thuật ngữ pha vật chất đôi khi được dùng để chỉ trạng thái của vật chất, nhưng thực tế pha còn chỉ một hệ thống có thể chứa nhiều giai đoạn trộn lẫn của cùng một trạng thái vật chất.

Những trạng thái cơ bản của vật chất

Chất rắn

Trong trạng thái chất rắn, các hạt cấu thành (ion, nguyên tử hoặc phân tử) được xếp chồng lên nhau một cách chặt chẽ. Lực tương tác giữa các hạt đủ mạnh để giữ cho chúng không thể di chuyển tự do mà chỉ có thể dao động, khiến cho vật rắn có hình dạng và thể tích cố định. Chất rắn chỉ có thể thay đổi hình dạng khi chịu tác động của lực bên ngoài, chẳng hạn như khi bị vỡ hoặc cắt.

Trong các chất rắn kết tinh, các hạt (nguyên tử, phân tử hoặc ion) được sắp xếp theo một cấu trúc lặp lại đều đặn. Có nhiều loại cấu trúc tinh thể khác nhau, và một chất có thể có nhiều cấu trúc (hoặc pha rắn) khác nhau. Ví dụ, sắt có cấu trúc lập phương tập trung ở thân dưới 912°C (1.674°F) và cấu trúc hình khối đặt chính giữa trong khoảng nhiệt độ từ 912 đến 1.394°C (2.541°F). Băng có tới mười lăm cấu trúc tinh thể khác nhau, hoặc mười lăm pha rắn, tùy thuộc vào nhiệt độ và áp suất.

Thủy tinh và các chất rắn vô định hình khác, không có trật tự tầm xa, không phải là trạng thái cân bằng nhiệt, do đó chúng được phân loại là các trạng thái vật chất không phân lớp.

Chất rắn có thể chuyển hóa thành chất lỏng qua quá trình nóng chảy, và chất lỏng có thể đông đặc thành chất rắn. Chất rắn cũng có thể trực tiếp chuyển hóa thành chất khí qua quá trình thăng hoa, trong khi chất khí có thể chuyển hóa trực tiếp thành chất rắn bằng cách lắng đọng.

Chất lỏng

Chất lỏng là một chất lưu gần như không nén, có hình dạng theo vật chứa nhưng vẫn duy trì thể tích cố định nếu nhiệt độ và áp suất không thay đổi. Khi một chất rắn được làm nóng qua điểm nóng chảy của nó, nó trở thành chất lỏng, với áp suất cao hơn điểm ba của chất đó. Lực liên phân tử vẫn quan trọng, nhưng các phân tử có đủ năng lượng để di chuyển tự do và cấu trúc của chúng là linh hoạt. Vì vậy, hình dạng của chất lỏng bị ảnh hưởng bởi vật chứa của nó. Thể tích của chất lỏng thường lớn hơn so với chất rắn tương ứng, ngoại trừ nước là một ví dụ điển hình. Nhiệt độ cao nhất mà chất lỏng có thể tồn tại được gọi là nhiệt độ tới hạn.

Chất khí

Chất khí là một chất lưu có thể nén, không chỉ chiếm hình dạng của vật chứa mà còn có khả năng phân tán để lấp đầy toàn bộ không gian của vật chứa.

Trong chất khí, các phân tử có động năng cao đến mức các lực liên phân tử trở nên không đáng kể (hoặc bằng 0 trong khí lý tưởng) và khoảng cách giữa các phân tử lân cận lớn hơn nhiều so với kích thước của chính các phân tử. Chất khí không có hình dạng hay thể tích cố định, mà chiếm toàn bộ không gian của bình chứa. Chất lỏng có thể chuyển thành khí khi được đun nóng đến điểm sôi ở áp suất không đổi hoặc khi áp suất giảm ở nhiệt độ không thay đổi.

Ở nhiệt độ dưới nhiệt độ tới hạn, chất khí còn được gọi là hơi và chỉ có thể hóa lỏng khi nén mà không cần làm mát. Chất khí có thể tồn tại cân bằng với chất lỏng (hoặc chất rắn), trong trường hợp này áp suất của khí sẽ bằng với áp suất hơi của chất lỏng (hoặc chất rắn).

Chất lỏng siêu tới hạn (SCF) là một dạng của khí tồn tại ở nhiệt độ và áp suất vượt qua điểm tới hạn tương ứng. Ở trạng thái này, sự phân biệt giữa chất lỏng và khí không còn nữa. Chất lỏng siêu tới hạn có tính chất vật lý của khí, nhưng nhờ mật độ cao, nó có thể có những tính chất dung môi đặc biệt, dẫn đến các ứng dụng như việc sử dụng carbon dioxide siêu tới hạn để chiết xuất caffeine trong quá trình sản xuất cà phê khử caffein.

Plasma

Tương tự như khí, plasma không có hình dạng hay thể tích cố định. Tuy nhiên, plasma khác biệt với khí ở khả năng dẫn điện, tạo ra từ trường và dòng điện, và phản ứng mạnh với lực điện từ. Các hạt nhân tích điện dương nằm trong một 'biển' electron tự do, giống như cách mà điện tử tự do trong kim loại dẫn điện, cho phép plasma dẫn điện hiệu quả.

Chất khí có thể được chuyển hóa thành plasma qua hai cách chính: bằng cách áp dụng điện áp rất cao giữa hai điểm hoặc bằng cách tiếp xúc với nhiệt độ cực cao. Khi chất khí nóng lên, electron bị tách khỏi nguyên tử, dẫn đến sự hình thành plasma bị ion hóa một phần. Ở nhiệt độ cực cao, như trong các ngôi sao, các electron hầu như hoàn toàn tự do và plasma trở thành plasma ion hóa hoàn toàn với các hạt nhân trần bơi trong một 'biển' electron.

Trạng thái plasma thường bị hiểu lầm và dù không xuất hiện tự nhiên trong điều kiện bình thường trên Trái Đất, nó thường được tạo ra bởi các hiện tượng như sét, tia lửa điện, đèn huỳnh quang, đèn neon, hoặc trong TV plasma. Các ví dụ nổi bật về plasma bao gồm vành nhật hoa của Mặt trời, một số loại ngọn lửa, và các ngôi sao.

Chuyển pha

Sự chuyển pha là một đặc trưng quan trọng của các trạng thái vật chất. Nó thể hiện sự thay đổi trong cấu trúc và có thể dễ dàng nhận ra qua sự thay đổi đột ngột về tính chất. Một trạng thái cụ thể của vật chất có thể được định nghĩa là bất kỳ tập hợp trạng thái nào được phân biệt với các tập hợp khác thông qua sự chuyển pha. Ví dụ, nước có thể tồn tại ở nhiều trạng thái rắn khác nhau. Sự chuyển pha còn liên quan đến sự xuất hiện của các trạng thái siêu dẫn, và các trạng thái sắt từ cũng được phân định qua các pha chuyển tiếp đặc biệt. Trong quá trình chuyển pha, các bước trung gian gọi là mesophase được hình thành, và công nghệ tinh thể lỏng đã được phát triển dựa trên các giai đoạn này.

Trạng thái hay pha của một tập hợp vật chất có thể thay đổi dựa trên điều kiện áp suất và nhiệt độ. Khi các điều kiện này thay đổi, vật chất có thể chuyển sang các pha khác để phù hợp với sự tồn tại của nó. Ví dụ, một chất rắn sẽ chuyển thành chất lỏng khi nhiệt độ tăng lên đến điểm nóng chảy, rồi tiếp tục sôi thành khí khi đạt điểm sôi. Nếu tiếp tục được đun nóng đến mức cao, chất này sẽ chuyển sang trạng thái plasma, nơi các electron được cung cấp đủ năng lượng để thoát khỏi nguyên tử.

Các dạng vật chất không chỉ bao gồm các phân tử và được tổ chức bằng những lực khác nhau cũng có thể được xem là các trạng thái khác nhau của vật chất. Ví dụ về điều này bao gồm các chất siêu lỏng (như ngưng tụ Fermionic) và plasma gluon quark.

Trong các phương trình hóa học, trạng thái vật chất của các hóa chất thường được ký hiệu là (s) cho chất rắn, (l) cho chất lỏng và (g) cho chất khí. Một dung dịch nước được ký hiệu là (aq). Trạng thái plasma rất hiếm khi xuất hiện trong các phương trình hóa học, do đó không có ký hiệu chuẩn để biểu thị nó. Trong những trường hợp hiếm hoi mà plasma được sử dụng, nó thường được ký hiệu là (p).

Trạng thái phi cổ điển

Thủy tinh

Thủy tinh là một loại vật liệu rắn không có cấu trúc tinh thể hoặc vô định hình, thể hiện hiện tượng chuyển tiếp thủy tinh khi được làm nóng để chuyển sang trạng thái lỏng. Kính có thể được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau: mạng vô cơ (như kính cửa sổ, làm từ silicat và các phụ gia), hợp kim kim loại, tan ion, dung dịch nước, chất lỏng phân tử và polymer. Về mặt nhiệt động học, kính thường có độ bền siêu cao so với đối tác tinh thể của nó, mặc dù tỷ lệ chuyển đổi thực tế gần như bằng không.

Tinh thể với mức độ rối loạn khác nhau

Một tinh thể nhựa là một chất rắn phân tử với trật tự ở mức xa nhưng các phân tử cấu thành vẫn có thể quay tự do; trong khi đó, trong một thủy tinh định hướng, mức độ tự do này bị đóng băng trong trạng thái rối loạn.

Tương tự, trong một thủy tinh từ rối loạn, hiện tượng rối loạn từ được giữ lại ở trạng thái đông lạnh.

Trạng thái tinh thể lỏng

Tinh thể lỏng là những trạng thái có đặc tính trung gian giữa chất lỏng và chất rắn có tổ chức. Chúng có thể chảy như chất lỏng nhưng vẫn duy trì trật tự ở mức xa. Ví dụ, pha nactic gồm các phân tử dài giống như que, như para-azoxyanisole, hoạt động trong phạm vi nhiệt độ từ 118 đến 136 °C (244 đến 277 °F). Trong trạng thái này, các phân tử di chuyển như trong chất lỏng nhưng đều cùng hướng (trong mỗi miền) và không thể xoay tự do. Tinh thể lỏng phản ứng với ánh sáng phân cực, giống như chất rắn kết tinh nhưng khác với chất lỏng.

Bài viết chính về các trạng thái tinh thể lỏng mô tả các loại tinh thể lỏng khác. Một số loại có ứng dụng công nghệ quan trọng, chẳng hạn như trong màn hình tinh thể lỏng.

Trật tự từ tính

Nguyên tử kim loại chuyển tiếp thường có các khoảnh khắc từ tính do sự quay của các electron không ghép cặp, không tạo thành liên kết hóa học. Trong một số chất rắn, các khoảnh khắc từ tính này được sắp xếp theo cách có thể tạo thành các loại từ tính như sắt từ, phản sắt từ hoặc ferrimagnet.

Trong một chất sắt từ, các từ trường của các nguyên tử sắt đều hướng về cùng một phía trong mỗi miền từ tính. Nếu các miền cũng được căn chỉnh, chất rắn sẽ trở thành nam châm vĩnh cửu, giữ từ tính ngay cả khi không có từ trường bên ngoài. Từ tính sẽ mất đi khi nam châm được làm nóng lên đến điểm Curie, đối với sắt là 768 °C (1.414 °F).

Chất phản sắt từ có hai mạng từ trường đối kháng nhau với cường độ bằng nhau, làm cho chúng triệt tiêu lẫn nhau và dẫn đến từ hóa ròng bằng không. Ví dụ, trong niken (II) oxit (NiO), một nửa số nguyên tử niken có các khoảnh khắc từ tính theo một hướng và nửa còn lại theo hướng ngược lại.

Trong chất ferri từ, có hai mạng từ tính trái ngược nhưng không bằng nhau, dẫn đến sự hủy bỏ không hoàn toàn và từ hóa của mạng khác không bằng không. Một ví dụ là magnetit (Fe₃O₄), chứa các ion Fe và Fe với các từ trường khác nhau.

Chất lỏng spin lượng tử (QSL) là một trạng thái rối loạn của hệ thống các spin lượng tử, giữ sự rối loạn ngay cả ở nhiệt độ rất thấp, khác với các trạng thái rối loạn khác. QSL không phải là chất lỏng theo nghĩa vật lý, mà là một chất rắn có trật tự từ tính bị rối loạn. Tên 'chất lỏng' xuất phát từ sự tương đồng với rối loạn phân tử trong chất lỏng thông thường. QSL không phải là ferromagnet, nơi các miền từ hướng song song, cũng không phải là antiferromagnet, nơi các miền từ hướng đối kháng; thay vào đó, các miền từ hướng ngẫu nhiên. Điều này có thể được nhận diện qua các khoảnh khắc từ tính thất vọng về mặt hình học không thể chỉ ra sự song song hay phản song song. Khi nhiệt độ giảm và trạng thái ổn định, miền phải 'chọn' một hướng, nhưng nếu các trạng thái có năng lượng tương đương, chúng sẽ được chọn ngẫu nhiên. Do đó, mặc dù có trật tự tầm ngắn mạnh mẽ, nhưng không có trật tự từ xa.

Tách microphase

Các copolyme có khả năng trải qua sự phân tách microphase, dẫn đến việc hình thành các cấu trúc nano định kỳ, như được minh họa trong ví dụ về copolyme khối styrene-butadiene-styrene ở bên phải. Phân tách microphase có thể được hình dung tương tự như sự phân tách pha giữa dầu và nước. Do sự không tương thích hóa học giữa các khối, copolyme khối trải qua sự phân tách pha tương tự. Tuy nhiên, vì các khối được liên kết cộng hóa trị, chúng không thể tách rời như dầu và nước, thay vào đó, các khối tạo thành các cấu trúc có kích thước nanomet. Tùy thuộc vào độ dài tương đối của từng khối và cấu trúc liên kết khối của polyme, có thể hình thành nhiều hình thái khác nhau, mỗi pha của vật chất.

Chất lỏng ion cũng cho thấy hiện tượng phân tách microphase. Các anion và cation không nhất thiết phải tương thích và có thể xuất hiện khác nhau, nhưng sự thu hút điện tích giữ chúng không tách rời. Các anion và cation dường như phân bố trong các lớp ngăn hoặc micelle thay vì tự do như trong một chất lỏng đồng nhất.

Trạng thái nhiệt độ thấp

Siêu lỏng

Gần mức không tuyệt đối, một số chất lỏng chuyển thành trạng thái lỏng thứ hai được gọi là siêu lỏng, với độ nhớt bằng không (hoặc tính lưu động vô hạn; tức là chảy không có ma sát). Phát hiện này được thực hiện vào năm 1937 đối với helium, hình thành siêu lỏng dưới nhiệt độ lambda là 2,17 K (−270,98 °C; −455,76 °F). Trong trạng thái này, nó có xu hướng 'leo' ra khỏi thùng chứa. Nó cũng có khả năng dẫn nhiệt vô hạn, khiến không có độ dốc nhiệt độ nào có thể hình thành trong siêu lỏng. Đặt một siêu lỏng vào trong một thùng chứa quay sẽ tạo ra các xoáy được lượng tử hóa.

Những đặc điểm này được lý giải bằng lý thuyết cho rằng đồng vị helium-4 phổ biến hình thành một ngưng tụ Bose-Einstein (xem phần tiếp theo) khi ở trạng thái siêu lỏng. Gần đây, các siêu chất ngưng tụ Fermionic đã được tạo ra ở nhiệt độ thấp hơn, bằng đồng vị hiếm helium-3 và lithium-6.

Ngưng tụ Bose-Einstein

Vào năm 1924, Albert Einstein và Satyendra Nath Bose đã dự đoán sự tồn tại của 'ngưng tụ Bose-Einstein' (BEC), đôi khi được gọi là trạng thái vật chất thứ năm. Trong BEC, vật chất không còn hành xử như các hạt độc lập mà tụ hợp thành một trạng thái lượng tử duy nhất, có thể được mô tả bằng một hàm sóng đồng nhất.

Trong pha khí, ngưng tụ Bose-Einstein vẫn chỉ là một dự đoán lý thuyết trong nhiều năm. Đến năm 1995, các nhóm nghiên cứu của Eric Cornell và Carl Wieman tại JILA thuộc Đại học Colorado ở Boulder đã thành công trong việc tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein đầu tiên bằng thực nghiệm. Ngưng tụ Bose-Einstein là 'lạnh' hơn một chất rắn. Nó có thể xảy ra khi các nguyên tử có mức lượng tử rất giống nhau, ở nhiệt độ gần với độ không tuyệt đối, −273,15 °C (−459,67 °F).

Ngưng tụ fermionic

Ngưng tụ fermionic tương tự như ngưng tụ Bose-Einstein nhưng liên quan đến các fermion. Nguyên tắc loại trừ Pauli cản trở các fermion vào cùng một trạng thái lượng tử, tuy nhiên, một cặp fermion có thể hành xử như một boson, và nhiều cặp như vậy có thể cùng vào một trạng thái lượng tử mà không bị hạn chế.

Phân tử Rydberg

Một trong những trạng thái plasma không lý tưởng cực kỳ bền là vật chất Rydberg, hình thành khi các nguyên tử bị kích thích tụ lại. Những nguyên tử này có thể chuyển thành ion và electron nếu đạt đến nhiệt độ nhất định. Vào tháng 4 năm 2009, Nature đã công bố việc tạo ra các phân tử Rydberg từ sự kết hợp giữa nguyên tử Rydberg và nguyên tử trạng thái cơ bản, xác nhận rằng trạng thái vật chất này thực sự có thể tồn tại. Thí nghiệm được thực hiện với các nguyên tử rubidium siêu lạnh.

Trạng thái Hall lượng tử

Một trạng thái Hall lượng tử gây ra sự gia tăng điện áp Hall lượng tử đo theo phương vuông góc với dòng điện. Trạng thái Hall spin lượng tử là một giai đoạn lý thuyết có thể mở ra hướng phát triển cho các thiết bị điện tử tiêu tốn ít năng lượng và tạo ra ít nhiệt hơn. Đây là một biến thể của trạng thái lượng tử Hall.

Vật chất quang tử

Vật chất quang tử hay vật chất photon là một hiện tượng mà các photon tương tác với một chất khí để hình thành khối lượng rõ ràng và có thể tương tác với nhau, thậm chí tạo thành các 'phân tử' photon. Khối lượng này đến từ khí, rất lớn. Điều này trái ngược với các photon di chuyển trong chân không, không có khối lượng nghỉ và không thể tương tác.

Dropleton

Một 'sương mù lượng tử' gồm các electron và lỗ trống tương tác với nhau và thậm chí gợn sóng như chất lỏng, thay vì tồn tại dưới dạng các cặp tách biệt.

Trạng thái năng lượng cao

Vật chất suy biến

Khi chịu áp lực cực lớn, như trong lõi của các ngôi sao đã chết, vật chất thông thường chuyển hóa thành nhiều trạng thái kỳ lạ gọi là vật chất suy biến hoặc vật chất thoái hóa, nhờ vào các hiệu ứng cơ học lượng tử. Trong vật lý, 'suy biến' đề cập đến hai trạng thái có cùng năng lượng và do đó có thể thay thế cho nhau. Vật chất thoái hóa, chịu sự chi phối của nguyên tắc loại trừ Pauli, ngăn cản hai hạt fermionic chiếm cùng một trạng thái lượng tử. Khác với huyết tương thông thường, huyết tương thoái hóa ít giãn nở khi bị làm nóng do không còn trạng thái động lượng. Vì vậy, các ngôi sao thoái hóa sụp đổ với mật độ cực kỳ cao. Các ngôi sao thoái hóa lớn hơn sẽ nhỏ hơn vì lực hấp dẫn tăng, nhưng áp lực không tăng tương ứng.

Vật chất thoái hóa điện tử được tìm thấy trong các ngôi sao lùn trắng, nơi các electron vẫn liên kết với nguyên tử nhưng có thể chuyển sang các nguyên tử lân cận. Vật chất thoái hóa neutron hiện diện trong các sao neutron, nơi áp suất hấp dẫn cực lớn nén nguyên tử đến mức các electron kết hợp với proton qua phân rã beta nghịch đảo, tạo thành một tập hợp neutron siêu đậm đặc. Trong các sao neutron, sự phân rã neutron tự do bị thay thế bởi phân rã nghịch đảo. Vật chất thoái hóa lạnh cũng tồn tại trong các hành tinh như Sao Mộc và sao lùn nâu lớn hơn, nơi dự kiến sẽ có lõi hydro kim loại. Các sao lùn nâu lớn hơn không có sự gia tăng đáng kể về kích thước do sự thoái hóa. Trong kim loại, các electron có thể được coi như một chất khí thoái hóa di chuyển trong một mạng ion dương không bị thoái hóa.

Vật chất quark

Trong vật chất lạnh thông thường, các quark – hạt cơ bản của vật chất hạt nhân – bị kẹt bởi lực tương tác mạnh trong các hadron, như proton và neutron. Vật chất quark, hay vật chất sắc ký lượng tử (QCD), là một trạng thái mà lực mạnh bị khắc phục, cho phép các quark di chuyển tự do. Các pha vật chất quark chỉ xuất hiện ở mật độ hoặc nhiệt độ cực cao, và hiện tại không thể tạo ra chúng trong trạng thái cân bằng trong phòng thí nghiệm. Bất kỳ vật chất quark nào hình thành đều sẽ trải qua quá trình phân rã phóng xạ.

Vật chất lạ là một dạng của vật chất quark có thể tồn tại bên trong các sao neutron gần giới hạn Tolman-Oppenheimer (khoảng 2 khối lượng mặt trời), mặc dù chưa có bằng chứng trực tiếp về sự tồn tại của nó. Trong vật chất lạ, một phần năng lượng có thể xuất hiện dưới dạng quark lạ, một loại quark nặng hơn quark xuống. Điều này có thể ổn định ở trạng thái năng lượng thấp hơn sau khi được hình thành, tuy nhiên, điều này vẫn chưa được xác minh.

Plasma quarkon gluon là một pha ở nhiệt độ rất cao, nơi các quark trở nên tự do và có thể di chuyển độc lập trong một biển gluon, các hạt truyền lực mạnh liên kết quark với nhau. Tình trạng này tương tự như việc giải phóng electron khỏi nguyên tử trong plasma. Nó có thể được tạo ra trong các va chạm ion nặng năng lượng cao tại máy gia tốc hạt, cho phép các nhà khoa học quan sát các quark riêng lẻ. Huyết tương gluon quarkon được phát hiện tại CERN vào năm 2000. Khác với plasma, chảy như chất khí, QGP tương tác rất mạnh và chảy như chất lỏng.

Tại mật độ cao nhưng với nhiệt độ tương đối thấp, các quark được dự đoán sẽ hình thành một loại chất lỏng quark mà bản chất của nó hiện chưa rõ ràng. Nó tạo ra một pha khóa màu sắc riêng biệt (CFL) với mật độ còn cao hơn nữa. Pha này có khả năng siêu dẫn cho điện tích màu, và dù nó có thể xuất hiện trong các sao neutron, hiện tại vẫn chỉ là một dự đoán lý thuyết.

Ngưng tụ thủy tinh màu

Ngưng tụ thủy tinh màu là một dạng vật chất lý thuyết, tồn tại trong các hạt nhân nguyên tử di chuyển gần tốc độ ánh sáng. Theo thuyết tương đối của Einstein, khi một hạt nhân có năng lượng cao di chuyển, nó sẽ bị co lại về chiều dài dọc theo hướng chuyển động. Kết quả là, gluon bên trong hạt nhân trở thành một 'bức tường gluonic' di chuyển với tốc độ gần ánh sáng, và mật độ của gluon trong bức tường này tăng lên đáng kể ở năng lượng rất cao. Khác với plasma gluon quark được tạo ra trong các va chạm, nước ngưng thủy tinh màu mô tả chính các bức tường này và là một thuộc tính nội tại của các hạt, chỉ có thể quan sát trong điều kiện năng lượng cao như ở RHIC và có thể ở Máy Va chạm Hadron Lớn.

Trạng thái năng lượng rất cao

Các lý thuyết khác nhau dự đoán sự tồn tại của các trạng thái vật chất mới ở mức năng lượng rất cao. Một trạng thái chưa rõ ràng có thể đã gây ra sự bất đối xứng baryon trong vũ trụ, nhưng vẫn chưa được hiểu rõ. Theo lý thuyết dây, nhiệt độ Hagedorn dự đoán sự xuất hiện của siêu dây ở khoảng 10^10 K, với số lượng siêu dây tăng lên đáng kể. Ở nhiệt độ Planck (10^19 K), trọng lực trở nên đáng kể giữa các hạt đơn lẻ. Hiện tại không có lý thuyết nào mô tả được các trạng thái này và chúng cũng không thể tạo ra bằng bất kỳ thử nghiệm nào dự đoán. Tuy nhiên, các trạng thái này rất quan trọng trong vũ trụ học vì vũ trụ có thể đã trải qua các trạng thái này trong Vụ nổ lớn.

Điểm kỳ dị hấp dẫn, theo thuyết tương đối rộng, không phải là một pha của vật chất mà là một thuộc tính của không thời gian. Nó không phải là một vật thể cụ thể (dù năng lượng khối của vật chất góp phần tạo ra nó), mà là một đặc điểm tôpô, toàn cầu của không thời gian, vì không thời gian bị phá vỡ tại điểm này. Các hạt cơ bản có thể không phải là vật chất mà chỉ là các thuộc tính cục bộ của không thời gian. Trong lý thuyết hấp dẫn lượng tử, các điểm kỳ dị có thể đánh dấu sự chuyển tiếp sang một giai đoạn mới của vật chất.

Các trạng thái đề xuất khác

Siêu rắn

Chất siêu rắn là một loại vật liệu có cấu trúc không gian (như chất rắn hoặc tinh thể) nhưng lại có tính chất siêu lỏng. Giống như siêu lỏng, siêu rắn có thể chuyển động mà không gặp ma sát nhưng vẫn duy trì được hình dạng cứng nhắc. Mặc dù siêu rắn là chất rắn, nó thể hiện nhiều đặc điểm khác biệt so với các chất rắn thông thường, làm cho nhiều người xem nó như một trạng thái mới của vật chất.

Chất lỏng lưới / chất lỏng dạng chuỗi

Trong chất lỏng dạng chuỗi, các nguyên tử có cấu trúc không ổn định giống như chất lỏng, nhưng vẫn duy trì sự đồng nhất trong mô hình tổng thể của chất rắn. Khi ở trạng thái rắn bình thường, các nguyên tử tổ chức thành một mạng lưới, với spin của các electron đối nghịch. Tuy nhiên, trong chất lỏng dạng chuỗi, các nguyên tử được sắp xếp theo các mẫu yêu cầu một số electron phải có các lân cận có cùng spin. Điều này dẫn đến những đặc tính độc đáo và hỗ trợ một số lý thuyết đặc biệt về các điều kiện cơ bản của vũ trụ.

Siêu thủy tinh

Siêu thủy tinh là một trạng thái vật chất đặc trưng bởi cả tính siêu lỏng và cấu trúc vô định hình bị đông cứng.

Chú thích

Liên kết ngoài

• 2005-06-22, Tin tức MIT: Các nhà vật lý MIT tạo ra dạng vật chất mới Trích dẫn: '... Họ đã trở thành những người đầu tiên tạo ra một loại vật chất mới, một loại khí nguyên tử cho thấy tính siêu lỏng ở nhiệt độ cao.'
• 2003-10-10, Science Daily: Giai đoạn kim loại của boson cho thấy trạng thái vật chất mới
• 2004-01-15, ScienceDaily: Phát hiện khả dĩ của một giai đoạn mới, trạng thái rắn siêu lỏng Trích dẫn: '... Chúng ta dường như đã quan sát, lần đầu tiên, một vật liệu rắn với các đặc điểm của một siêu lỏng... nhưng vì tất cả các hạt của nó đều ở trạng thái lượng tử giống nhau, nó vẫn giữ nguyên dạng rắn mặc dù các hạt thành phần của nó liên tục chuyển động...'
• 2004-01-29, ScienceDaily: Các nhà khoa học NIST/Đại học Colorado tạo ra dạng vật chất mới: Một chất ngưng tụ Fermionic
• Video ngắn minh họa các trạng thái vật chất, rắn, lỏng và khí bởi Giáo sư J M Murrell, Đại học Sussex