目次
物質の三態
物質の第4の状態

固体・液体・気体に続く物質の”第5の状態”を観測。 絶対零度で起こる量子力学の世界
(画像=Credit:Bose-Einstein condensation,vulgarisation、『ナゾロジー』より引用)

point

  • 物質を絶対零度近くまで冷却すると、固体より下の状態「ボース=アインシュタイン凝集体」になる
  • これは重力の影響で簡単に崩壊してしまうため、地上での実験は困難だった
  • 新たな研究は宇宙空間で、物質第5の相を1秒以上維持して観測することに成功した

物質の状態には、固体・液体・気体という三態があるというのは小学校の理科で教わります。

さらに、気体の上にはプラズマと呼ばれる状態があります。

では、固体の下はなんでしょうか? これは絶対零度近くまで物質を冷却した場合に作られる状態で、ボース=アインシュタイン凝集(以下BEC)と呼ばれています。

この状態になると、なんと原子は実態でありながら物質波としても機能し、いわゆる量子(ボース粒子)の様な性質を得るのです。

このBECは非常に壊れやすい状態で、外界との僅かな相互作用で凝結限界を超えて崩れてしまいます。特に重力下では、この状態を維持することが非常に困難であまり研究は進んでいませんでした。

これを新しい研究は世界で初めて宇宙で行うことで、長時間観測することに成功したと報告しています。

物質の三態

物質は温度によって5つの状態を取ります。これは相とも呼びますが、ここではわかりやすいように状態という言葉で統一します。

もっとも基本となるのは「固体・液体・気体」という三態で、学校の理科でも教わる内容です。

まずはここから見ていきましょう。

固体・液体・気体に続く物質の”第5の状態”を観測。 絶対零度で起こる量子力学の世界
(画像=物質の三態。/Credit:depositphotos、『ナゾロジー』より引用)

温度とは物質を構成する原子の持つ運動エネルギーのことです。温度が高いと熱くなるのは、高い運動エネルギーを持った原子がバシバシぶつかってエネルギーを渡してくるためです。

逆に冷たいのは、運動エネルギーの低い原子が相手のエネルギーを奪って動きを封じてくるためです。

そのため、固体は物質の運動エネルギーが少ないために動くのをやめて固まっている状態です。なので冷やすほど固まる物質は多くなります。

気体は物質の運動エネルギーが高いために、バラバラに分かれて好き勝手に動き回っている状態です。

液体はその中間で、気体の様にバラバラにはなっていないけれど、固体のように固まって動きを止めているわけでもない、という状態になるのです。

しかし、物質の状態にはさらにこの上と下があります。つまりもっとずっと運動エネルギーが高い状態と、極限まで運動エネルギーが低い状態です。

物質の第4の状態

物質の第4の状態は、気体よりも高い運動エネルギーを得たとき起きるものでプラズマと呼ばれています。

気体は物質を作る分子が、バラバラになって自由に飛び回っている状態ですが、さらに運動エネルギーが高くなると、原子を構成する電子が原子核から離れて飛び回ってしまします。

通常の物質は、正電荷の原子核と、負電荷の電子がくっつくことで電気的に中性の状態を維持していますが、これがバラバラになってしまうので、プラズマは荷電粒子の嵐になってしまいます。

固体・液体・気体に続く物質の”第5の状態”を観測。 絶対零度で起こる量子力学の世界
(画像=プラズマの状態。/Credit:京都大学、『ナゾロジー』より引用)

代表的なプラズマの例が太陽風です。

太陽のような高エネルギーの天体を取り巻く大気は、その高熱によってプラズマ状態になっていて、これが地球へも飛んでくるので、太陽風で電磁障害などの危険が生まれるのです。

また太陽風に限らず、宇宙に存在するガスなどの多くはプラズマの状態になっています。