Ξεχάστε τα ραδιενεργά δαγκώματα των αραχνών, την έκθεση σε ακτίνες γάμμα, ή οποιοδήποτε άλλο ατύχημα που συναντάμε στα κόμικς με τον άνθρωπο αράχνη ή τον σούπερμαν: στον πραγματικό κόσμο, η κβαντική θεωρία είναι αυτή που σας δίνει υπερδυνάμεις.
Πάρτε για παράδειγμα το ευγενές αέριο ήλιο. Σε θερμοκρασία δωματίου, είναι προϊόν διασκέδασης: μπορείτε να γεμίσετε με αυτό μπαλόνια ή να το εισπνεύσετε και να μιλήσετε με μια τσιριχτή φωνή. Σε θερμοκρασίες όμως κάτω από τους 2 Kelvin, περίπου, είναι ένα υγρό και τα άτομα του διέπονται από τις ιδιότητες της κβαντομηχανικής. Τότε γίνεται ένα υπερρευστό.
Το υπερρευστό ήλιο.
. σκαρφαλώνει στους τοίχους και ρέει προς τα πάνω σε πείσμα της βαρύτητας. Ωστόσο, το ίδιο συμπιέζεται μέσα σε εξωφρενικά μικρές τρύπες. Ξεφεύγει μάλιστα από την τριβή: βάλτε το υπερρευστό ήλιο σε ένα μπολ, θέστε το σε περιστροφή, και βλέπετε ότι το ήλιο σε αυτή την κατάσταση δεν μετακινείται, ενώ το κύπελλο περιστρέφεται από κάτω. Βάλτε σε ίδια κίνηση το υγρό και αυτό θα συνεχίσει να στρέφεται για πάντα.
. σκαρφαλώνει στους τοίχους και ρέει προς τα πάνω σε πείσμα της βαρύτητας. Ωστόσο, το ίδιο συμπιέζεται μέσα σε εξωφρενικά μικρές τρύπες. Ξεφεύγει μάλιστα από την τριβή: βάλτε το υπερρευστό ήλιο σε ένα μπολ, θέστε το σε περιστροφή, και βλέπετε ότι το ήλιο σε αυτή την κατάσταση δεν μετακινείται, ενώ το κύπελλο περιστρέφεται από κάτω. Βάλτε σε ίδια κίνηση το υγρό και αυτό θα συνεχίσει να στρέφεται για πάντα.
Αυτό είναι διασκέδαση, αλλά δεν είναι ιδιαίτερα χρήσιμο. Το αντίθετο θα μπορούσε κάποιος να πει για τους υπεραγωγούς. Αυτά τα στερεά άγουν τον ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση, έτσι είναι πολύτιμα σώματα για τη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας, για τη δημιουργία εξαιρετικά ισχυρών μαγνητικών πεδίων – για να θέσουμε σε κίνηση τα πρωτόνια γύρω τον Μεγάλο Επιταχυντή στο CERN, για παράδειγμα – αλλά και για τις αιωρούμενες υπερταχείες αμαξοστοιχίες.
Δεν ξέρουμε ακόμη πώς δουλεύουν όλοι οι υπεραγωγοί, αλλά φαίνεται ότι η αρχή της αβεβαιότητας παίζει κάποιο ρόλο. Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, η ορμή των μεμονωμένων ατόμων ή των ηλεκτρονίων σε αυτά τα υλικά είναι πολύ μικρή και γνωστή με πολύ ακρίβεια, οπότε η θέση του κάθε ατόμου είναι εξαιρετικά αβέβαιη. Στην πραγματικότητα, αρχίζουν να επικαλύπτονται μεταξύ τους, σε σημείο όπου δεν μπορείτε να τα περιγράψετε ξεχωριστά. Θα αρχίσουν να ενεργούν ως ένα υπερ-άτομο ή σαν υπερ-ηλεκτρόνιο που κινείται χωρίς τριβή ή αντίσταση.
Ωστόσο, όλα αυτά δεν είναι τίποτα όσον αφορά την παραξενιά σε σύγκριση με ένα υπερστερεό. Το μόνο γνωστό τέτοιο παράδειγμα είναι το στερεό ήλιο που ψύχεται κοντά στον ένα βαθμό πάνω από το απόλυτο μηδέν και με περίπου 25 φορές την κανονική ατμοσφαιρική πίεση.
Υπό αυτές τις συνθήκες, οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων του ηλίου είναι ασθενείς, και κάποιοι σπάνε αφήνοντας ένα δίκτυο από «κενές θέσεις» που συμπεριφέρονται σχεδόν σαν τα πραγματικά άτομα. Υπό κατάλληλες συνθήκες, οι εν λόγω κενές θέσεις σχηματίζουν ένα υγρό σαν το συμπύκνωμα Bose-Einstein. Αυτό, υπό ορισμένες συνθήκες, περνά μέσα από το πλέγμα του κανονικού ηλίου – που σημαίνει ότι τα στερεά ρέουν, σαν το φάντασμα, μέσα από τον ίδιο τους τον εαυτό.
Τόσο ασυνήθιστη είναι αυτή η υπερδύναμη που ο φυσικός Moses Chan μαζί με τον μεταπτυχιακό φοιτητής του Eun-Seong Kim στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια έλεγχαν και ξανά έλεγχαν τα στοιχεία τους για το στερεά ήλιο για τέσσερα χρόνια, πριν τελικά τα δημοσιεύσουν το 2004.
"Είχα μικρή εμπιστοσύνη ότι θα δούμε αυτό το αποτέλεσμα”, λέει ο Chan. Παρ ‘όλα αυτά, οι ερευνητές έχουν δει νύξεις ότι κάθε κρυσταλλικό υλικό θα μπορούσε να πεισθεί ώστε να εκτελέσει ένα τέτοιο κατόρθωμα σε θερμοκρασίες μόλις ένα κλάσμα πάνω από το απόλυτο μηδέν. Ούτε ο σούπερμαν δεν μπορεί ακόμη να το κάνει.
Λίγα λόγια σχετικά με το υπέρψυχρο ήλιο
Σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, στους -273 βαθμούς Κελσίου, όλα τα άτομα συντονίζονται στην ίδια κβαντική κατάσταση και συμπεριφέρονται σαν ένα και μοναδικό υπεράτομο. Το ήλιο-4 γίνεται υπερρευστό και ρέει χωρίς τριβή ανάμεσα από πόρους στο μέγεθος ενός ατόμου. Στις ίδιες συνθήκες το ήλιο-4 μετατρέπεται σε υπεραέριο, στο συμπύκνωμα Bose-Einstein. Πρόκειται για μια κατάσταση της ύλης η οποία πήρε το όνομά της από τον Ινδό φυσικό Bose και τον Αϊνστάιν, που την είχαν προβλέψει από το 1925. Τότε οι δύο φυσικοί έκαναν λόγο και για άλλη μία φάση της ύλης, την υπερστερεά. Παρόλο που οι επιστήμονες είχαν φτιάξει την υπερρευστή και την υπεραέρια κατάσταση, δεν υπήρχε καμιά πειραματική απόδειξη για την υπερστερεά κατάσταση της ύλης. Έπρεπε να περάσουν σχεδόν ογδόντα χρόνια μετά τη θεωρητική της περιγραφή για να λυθεί το μυστήριο.
Τον Ιανουάριο του 2004 οι φυσικοί Moses Chan και Eun-Seong Kim στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια μελέτησαν το αέριο ήλιο-4 σε ακραίες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Οι δύο ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα γυάλινο δίσκο ο οποίος διέθετε πόρους με διαστάσεις ατόμου. Τοποθέτησαν το δίσκο μέσα σε μια μεταλλική κάψουλα και εφάρμοσαν πίεση ίση με 62 ατμόσφαιρες, οπότε το ήλιο στερεοποιήθηκε και έλαβε κρυσταλλική μορφή. Κατόπιν κατέψυξαν τη συσκευή και την έκαναν να περιστραφεί και προς τις δύο κατευθύνσεις με σταθερό ρυθμό ταλάντωσης. Μόλις η θερμοκρασία κατέβηκε στο 1/10 του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν, ο ρυθμός ταλάντωσης αυξήθηκε απότομα. Για να συμβεί κάτι τέτοιο πρέπει να μειωθεί το βάρος του συστήματος κάψουλα-ήλιο. Κι όμως, το βάρος της κάψουλας ήταν δεδομένο, ώστε οι επιστήμονες υπέθεσαν αρχικά πως είχε εξαφανιστεί ένα ποσό από το ήλιο-4. Η εξήγηση όμως ήταν πολύ πιο απλή.
Ανεβάζοντας εκ νέου τη θερμοκρασία, οι ταλαντώσεις μειώνονταν ξανά. Ήταν φανερό ότι η ποσότητα του ήλιου-4 παρέμενε σταθερή.
Άραγε τι να είχε συμβεί; Σύμφωνα με τον Chan, η υψηλή πίεση μετέτρεψε αρχικά το ήλιο-4 σε στερεό. Στη συνέχεια η χαμηλή θερμοκρασία έδωσε στο ήλιο-4 τις τυπικές ιδιότητες ενός υπερρευστού. Τα άτομά του μπορούσαν να ρέουν χωρίς καμιά αντίσταση από τους μικροσκοπικούς πόρους του γυαλιού. Στην πράξη ο δίσκος περιστρεφόταν σαν να μην υπήρχε πάνω του ήλιο. Ανεβάζοντας ξανά την θερμοκρασία τα άτομα επέστρεψαν στην αρχική τους κατάσταση και εγκλωβίστηκαν στους πόρους, αυξάνοντας το βάρος του δίσκου και επιβραδύνοντας τις ταλαντώσεις. Η πρώτη υπερστερεά ουσία είχε μόλις δημιουργηθεί.
Η εξήγηση του πώς μια ουσία μπορεί να είναι στερεά και υπερρευστή συγχρόνως, βρίσκεται στο εξής παράδειγμα. Ας φανταστούμε την πιο πάνω πειραματική διάταξη σαν ένα τηγάνι γεμάτο μπάλες του μπιλιάρδου στερεωμένο στην κορυφή ενός ελατηρίου. Ας φανταστούμε επίσης ότι οι μπάλες είναι τα άτομα του ήλιου-4 και το τηγάνι ο γυάλινος δίσκος. Αν απελευθερώσουμε το ελατήριο το σύστημα τηγάνι-μπάλες θα αρχίσει να ταλαντώνεται με σταθερό ρυθμό. Ο ρυθμός αυτός εξαρτάται άμεσα από το συνολικό βάρος του συστήματος. Αν ξαφνικά ορισμένες μπάλες αρχίσουν να αιωρούνται πάνω από τις άλλες το βάρος θα ελαττωθεί και ο ρυθμός ταλάντωσης θα αυξηθεί. Το σύστημα δε θα αλλάξει μορφή, αφού οι μπάλες δε θα ξεφεύγουν από τη νοητή περίμετρο του τηγανιού. Αυτό συμβαίνει διαρκώς στη φύση, αφού τα άτομα αλλάζουν διαρκώς θέσεις μεταξύ τους χωρίς να επηρεάζεται τελικά η μορφή της ύλης.
physics4u/ M.A.R.C-review
