물리학에서, 물질의 상태(state of matter)는 물질(matter)이 존재할 수 있는 구별되는 형태 중 하나입니다. 물질의 네 가지 상태: 고체(solid), 액체(liquid), 기체(gas), 및 플라즈마(plasma)는 일상 생활에서 관찰할 수 있습니다. 액체 수정(liquid crystal)과 같은 많은 중간 상태가 존재하는 것으로 알려져 있고, 일부 상태는 (극단적인 추위에서) 보스-아인슈타인 응축(Bose–Einstein condensate), (극단적인 밀도에서) 중성자-퇴화 물질(neutron-degenerate matter), 및 (극단적인 높은-에너지에서) 쿼크-글루온 플라즈마(quark-gluon plasma)와 같은 극단적인 조건 아래에서만 존재합니다. 매우 이국적인 물질의 상태의 완전한 목록에 대해, 물질의 상태의 목록(list of states of matter)을 참조하십시오.
역사적으로, 그 구별은 속성에서 질적 차이를 기반으로 이루어집니다. 고체 상태에서 물질은 고정된 부피 (온도나 기압의 변화가 없다고 가정)와 모양을 유지하며 구성 요소 입자 (원자, 분자 또는 이온)가 서로 밀착되어 제자리에 고정됩니다. 액체 상태에서 물질은 고정된 부피 (온도나 기압의 변화가 없다고 가정)를 유지하지만, 용기에 맞게 적응하는 다양한 모양을 가지고 있습니다. 그것의 입자는 여전히 서로 가깝지만 자유롭게 움직입니다. 기체 상태에서 물질은 부피와 모양이 가변적이어서 용기에 맞게 조정됩니다. 그것의 입자들은 서로 가깝지도 않고 제자리에 고정되어 있지도 않습니다. 플라즈마 상태에서 물질은 다양한 부피와 모양을 가지고, 중성 원자와 상당한 수의 이온과 전자를 포함하며, 둘 다 자유롭게 이동할 수 있습니다.
용어 "상(phase)"은 때때로 물질의 상태에 대한 동의어로 사용되지만, 단일 화합물이 같은 물질의 상태에 있는 다른 상을 형성하는 것이 가능합니다. 예를 들어, 얼음은 고체 상태의 물이지만, 서로 다른 압력과 온도에서 형성되는 서로 다른 결정 구조를 가진 여러 단계의 얼음의 상(phases of ice)이 있습니다.
Four fundamental states
Solid
고체에서, 구성 입자 (이온, 원자, 또는 분자)는 서로 밀집되어 있습니다. 입자 사이의 힘은 너무 강해서 입자가 자유롭게 움직일 수 없고 진동만 할 수 있습니다. 결과적으로, 고체는 안정적이고 명확한 모양과 명확한 부피를 가집니다. 고체는 오직 부서지거나 절단될 때와 같이 외부 힘에 의해 모양을 바꿀 수 있습니다.
결정질의 고체에서 입자(원자, 분자 또는 이온)는 규칙적으로 정렬되고, 반복되는 패턴으로 채워져 있습니다. 다양한 다른 결정 구조(crystal structures)가 있고, 같은 물질이 하나보다 많은 구조 (또는 고체 상)를 가질 수 있습니다. 예를 들어, 철은 912°C (1,674°F) 미만의 온도에서 몸체-중심 입방체(body-centred cubic) 구조를 가지고, 912와 1,394°C (2,541°F) 사이에 면-중심 입방체(face-centred cubic) 구조를 가집니다. 얼음은 다양한 온도와 압력에서 존재하는 15개의 알려진 결정 구조 또는 15개의 고체 상을 가집니다.
긴-범위 질서(long-range order) 없이 유리와 기타 비-결정질 무정형 고체(amorphous solids)는 열 평형(thermal equilibrium) 바닥 상태가 아닙니다: 그러므로 그것들은 비-고전적 물질의 상태로 아래에 설명됩니다.
고체는 녹음으로써 액체로 변형될 수 있고, 액체는 얼음으로써 고체로 변형될 수 있습니다. 고체는 역시 승화(sublimation) 과정을 통해 직접 기체로 변할 수 있고, 기체도 증착(deposition)을 통해 직접 고체로 변할 수 있습니다.
Liquid
액체는 용기의 모양을 따르지만 압력과 무관하게 (거의) 일정한 부피를 유지하는 거의 비-압축성 유체입니다. 부피는 만약 온도(temperature)와 압력(pressure)이 일정하면 명확합니다. 고체가 녹는 점(melting point) 이상으로 가열하면, 압력이 물질의 삼중 점(triple point)보다 높게 주어지면 액체가 됩니다. 분자간 (또는 원자간 또는 이온간) 힘은 여전히 중요하지만, 분자는 서로에 대해 움직일 수 있는 충분한 에너지를 가지고 있고 구조는 변하기 쉽습니다. 이것은 액체의 모양이 명확하지 않지만 그것의 용기에 의해 결정된다는 것을 의미합니다. 부피는 보통 해당하는 고체의 부피보다 크며, 가장 잘 알려진 예외는 물, \(\rm H_2 O\)입니다. 주어진 액체가 존재할 수 있는 가장 높은 온도는 임계 온도(critical temperature)입니다.
Gas
기체는 압축-가능한 유동체입니다. 기체는 용기의 모양에 맞을 뿐만 아니라 팽창하여 용기를 채울 것입니다.
기체에서, 분자는 충분한 운동 에너지(kinetic energy)를 가지므로 분자간 힘의 영향이 작고 (또는 이상적인 기체에 대해 영이고), 이웃 분자 사이의 전형적인 거리는 분자 크기보다 훨씬 큽니다. 기체는 명확한 모양이나 부피를 가지지 않지만, 그것이 담겨 있는 용기 전체를 차지합니다. 액체는 일정한 압력에서 끓는 점(boiling point)까지 가열되거나, 일정한 온도에서 압력을 줄임으로써 기체로 전환될 수 있습니다.
임계 온도(critical temperature) 아래의 온도에서, 기체는 증기(vapor)라고도 불리고, 냉각 없이 오직 압축에 의해 액화될 수 있습니다. 증기는 액체 (또는 고체)와 평형 상태로 존재할 수 있으며, 이 경우에서 기체 압력은 액체 (또는 고체)의 증기 압력(vapor pressure)과 같습니다.
초임계 유체(supercritical fluid, SCF)는 그것의 온도와 압력이 각각 임계 온도와 임계 압력(critical pressure)보다 높은 기체입니다. 이 상태에서, 액체와 기체 사이의 구분이 사라집니다. 초임계 유체는 기체의 물리적 속성을 가지지만, 그것의 높은 밀도가 경우에 따라 용매의 속성을 부여하여 유용한 응용 분야로 이어집니다. 예를 들어, 초임계 이산화탄소(supercritical carbon dioxide)는 디카페인 커피 제조에서 카페인을 추출하기 위해 사용됩니다.
Plasma
가스와 마찬가지로, 플라즈마는 명확한 모양이나 부피를 가지지 않습니다. 가스와 달리, 플라즈마는 전기적 전도성이 있고, 자기 필드와 전류를 생성하고, 전자기적 힘에 강하게 반응합니다. 양전하를 띤 핵은 자유롭게-움직이는 분리된 전자의 "바다"에서 헤엄치며, 그러한 전하는 전도성 금속에 존재하는 방식과 유사하며, 여기서 전자 "바다"는 플라즈마 상태에서 물질이 전기를 전도할 수 있도록 합니다.
기체는 보통 두 점 사이의 큰 전압 차이로 인해, 또는 그것을 매우 높은 온도에 노출되는 두 가지 방법 중 하나로 플라즈마로 변환됩니다. 물질을 고온으로 가열하면 전자가 원자를 떠나 자유 전자가 존재하게 됩니다. 이것은 소위 부분적으로 이온화된 플라즈마를 생성합니다. 별에 존재하는 것과 같은 매우 높은 온도에서, 본질적으로 모든 전자가 "자유"에 있고, 매우 높은-에너지 플라즈마는 본질적으로 전자의 바다에서 헤엄치는 노출된 핵이라고 가정합니다. 이것은 소위 완전 이온화된 플라즈마를 형성합니다.
플라즈마 상태는 종종 잘못 이해되고 있고, 지구 위의 정상적인 조건 아래에서 자유롭게 존재하지는 않지만, 번개, 전기 스파크, 형광등, 네온 불빛, 또는 플라즈마 텔레비전에 의해 꽤 공통적으로 생성됩니다. 태양의 코로나, 일부 유형의 화염, 및 별은 모두 플라즈마 상태에서 조명 물질의 예제입니다.
Phase transitions
물질의 상태는 역시 상 전이(phase transitions)를 특징으로 합니다. 상 전이는 구조의 변화를 나타내고 속성에서 급격한 변화로 인식될 수 있습니다. 구별되는 물질의 상태는 상 전이에 의해 임의의 다른 상태(states)의 집합과 구별되는 임의의 상태의 집합으로 정의될 수 있습니다. 물은 몇 가지 구별되는 고체 상태를 가지고 있다고 말할 수 있습니다. 초전도의 출현은 상 전이와 결합되므로, 초전도(superconductive) 상태가 있습니다. 마찬가지로, 강자성(ferromagnetic) 상태는 상 전이에 의해 구분되고 구별되는 속성을 가집니다. 상태의 변화가 단계적으로 발생할 때, 중간 단계를 중간상(mesophases)이라고 불립니다. 그러한 상은 액체 수정(liquid crystal) 기술의 도입에 의해 이용되었습니다.
주어진 물질의 집합의 상태 또는 상(phase)은 압력과 온도 조건에 따라 변할 수 있으며, 이들 조건이 그것들의 존재에 유리하도록 변경됨에 따라 다른 상으로 전이됩니다; 예를 들어, 고체는 온도가 증가함에 따라 액체로 전이됩니다. 절대 영도(absolute zero)에 가까운, 물질은 고체(solid)로 존재합니다. 이 물질에 열을 가하면 녹는 점(melting point)에서 액체로 녹고, 끓는 점(boiling point)에서 기체로 끓고, 충분히 높게 가열되면 전자가 에너지를 받아 부모 원자를 떠나는 플라즈마(plasma) 상태로 들어갑니다.
분자로 구성되지 않고 다른 힘에 의해 조직된 물질의 형태도 물질의 다른 상태로 고려될 수 있습니다. (Fermionic condensate와 같은) 초유체(Superfluids)와 쿼크-글루온 플라즈마(quark–gluon plasma)가 그 예입니다.
화학 방정식에서, 화학 물질의 물질 상태는 고체에 대해 (s), 액체에 대해 (l), 및 기체에 대해 (g)로 나타낼 수 있습니다. 수용액(aqueous solution)은 (aq)로 표시됩니다. 플라즈마 상태의 물질은 화학 방정식에서 거의 사용되지 않으므로, 이를 나타내는 표준 기호가 없습니다. 플라즈마가 사용되는 드문 방정식에서, 그것은 (p)로 기호화됩니다.
Non-classical states
Glass
유리는 액체 상태를 향해 가열될 때 유리 전이(glass transition)를 나타내는 비-결정질 또는 무정형 고체(amorphous solid) 물질입니다. 유리는 매우 다양한 종류의 재료: 무기 네트워크 (예를 들어, 규산염과 첨가제로 만든 창 유리), 금속 합금, 이온 용융물, 수용액, 분자 액체, 및 폴리머로 만들 수 있습니다. 열역학적으로, 유리는 결정질 짝에 관해 준안정 상태(metastable state)에 있습니다. 어쨌든, 전환율은 거의 영입니다.
Crystals with some degree of disorder
플라스틱 결정은 긴-범위 위치적 질서를 갖고 회전적 자유를 유지하는 구성 분자를 갖는 분자 고체입니다; 방향성 유리(orientational glass)에서 이 자유도는 담금질 무질서(quenched disordered) 상태로 고정됩니다.
유사하게, 스핀 유리(spin glass)에서 자기적으로 무질서는 동결됩니다.
Liquid crystal states
액체 수정(Liquid crystal) 상태는 움직이기 쉬운 액체와 정렬된 고체 사이의 중간 속성을 가집니다. 일반적으로, 그것들은 액체처럼 흐를 수 있지만, 긴 범위의 질서를 나타냅니다. 예를 들어, 네매틱 상(nematic phase)은 118–136 °C (244–277 °F)의 온도 범위에서 네매틱인 파라-아족시아니솔(para-azoxyanisole)과 같은 긴 막대-모양의 분자로 구성됩니다. 이 상태에서 분자는 액체처럼 흐르지만, 그것들은 모두 같은 방향 (각 영역 내에서)을 가리키고 자유롭게 회전할 수 없습니다. 결정질 고체와 같지만, 액체와 달리, 액체 수정은 편광에 반응합니다.
다른 유형의 액체 수정은 이들 상태에 대한 주요 문서에 설명되어 있습니다. 몇 가지 유형은 예를 들어 액체 수정 디스플레이에서 기술적 중요성을 가집니다.
Magnetically ordered
전이 금속(Transition metal) 원자는 짝을 이루지 않고 화학 결합을 형성하지 않는 전자의 순 스핀(spin)으로 인해 종종 자기적 모멘트(magnetic moments)를 가집니다. 일부 고체에서, 서로 다른 원자의 자기 모멘트는 정렬되고 강자성체, 반강자성체, 또는 페리자성체를 형성할 수 있습니다.
강자성체—예를 들어, 단단한 철—에서, 각 원자의 자기적 모멘트는 같은 방향 (자기 도메인 내에서)으로 정렬됩니다. 만약 도메인도 정렬되면, 고체는 심지어 외부 자기 필드의 부재에도 자성을 띠는 영구 자석입니다. 자석이 철에 대해 768°C (1,414°F)인 퀴리 점(Curie point)까지 가열되면 자기화(magnetization)가 사라집니다.
반강자성체는 동일하고 반대인 자기적 모멘트의 두 네트워크를 가지며, 순 자기화가 영이 되도록 서로를 상쇄합니다. 예를 들어, 니켈(II) 산화물 (NiO)에서, 니켈 원자의 절반은 한 방향으로 정렬된 모멘트를 가지고 있고 나머지 절반은 반대 방향으로 정렬되어 있습니다.
페리자성체(ferrimagnet)에서 자기 모멘트의 두 네트워크는 취소가 불완전하고 비-영 순 자기화가 있도록 반대이지만 같지 않습니다. 예를 들어 자기 모멘트가 다른 \(\rm Fe^{2+}\)와 \(\rm Fe^{3+}\) 이온을 포함하는 자철석 (\(\rm Fe_3O_4\))이 있습니다.
양자 스핀 액체(quantum spin liquid, QSL)는 다른 무질서 상태와 달리 매우 낮은 온도에서도 무질서 상태를 유지하는 상호 작용하는 양자 스핀 시스템의 무질서 상태입니다. 그것은 물리적 의미에서 액체가 아니라, 본질적으로 자기 질서가 무질서한 고체입니다. "액체"라는 이름은 기존 액체에서 분자 무질서와 유사하기 때문입니다. QSL은 자기 도메인이 평행인 강자성체도 아니고 자기 도메인이 반평행인 반강자성체도 아닙니다; 대신, 자기 도메인은 무작위로 방향화됩니다. 이것은 예를 들어 균등하게 평행 또는 반평행을 가리킬 수 없는 기하학적으로 좌절된 자기 모멘트에 의해 실현될 수 있습니다. 냉각되고 상태에 정착할 때, 그 도메인은 방향을 "선택"해야 하지만, 만약 가능한 상태가 에너지에서 유사하면, 무작위로 선택될 것입니다. 결과적으로, 강력한 짧은-범위 질서에도 불구하고, 긴-범위 자기 질서는 없습니다.
Microphase-separated
오른쪽에 표시된 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 코폴리머의 예제에서 볼 수 있듯이, 코폴리머(Copolymers)는 마이크로-상 분리를 거쳐 다양한 배열의 주기적인 나노-구조를 형성할 수 있습니다. 마이크로-상 분리는 기름과 물 사이의 상 분리와 유사하게 이해될 수 있습니다. 블록 사이의 화학적 비-호환가능성으로 인해, 블록 코폴리머는 유사한 상 분리를 겪습니다. 어쨌든, 블록은 서로 공유 결합되어 있기 때문에, 물과 기름처럼 거시적으로 분리할 수 없고, 따라서 대신 블록은 나노미터-크기의 구조를 형성합니다. 각 블록의 상대적인 길이와 폴리머의 전체 블록 토폴로지에 따라 많은 형태를 얻을 수 있으며, 각각 고유한 물질 위상을 가집니다.
이온성 액체(Ionic liquids)는 역시 마이크로-상 분리를 나타냅니다. 음이온과 양이온은 반드시 호환되는 것은 아니고 그렇지 않으면 분리되지만, 전하 인력으로 인해 분리되지 않습니다. 그것들의 음이온과 양이온은 균등 액체에서 처럼 자유롭게 확산되는 대신 구획화된 층이나 미셀 내에서 확산되는 것으로 보입니다.
Low-temperature states
Superconductor
초전도체는 영 전기적 저항(electrical resistivity)을 가지고, 완전 전도성을 갖는 물질입니다. 이것은 낮은 온도에서 존재하는 구별되는 물리적 상태이고, 저항은 각 초전도체에 대해 급격히-정의된 전이 온도에서 유한한 값으로 불연속적으로 증가합니다.
초전도체는 역시 마이스너 효과(Meissner effect) 또는 완전 반자성(diamagnetism)으로 알려진 현상, 그것의 내부에서 모든 자기장을 배제합니다. 초전도 자석은 자기 공명 이미지 장치에서 전자석으로 사용됩니다.
초전도의 현상은 1911년에 발견되었고, 75년 동안 30K 이하의 온도에서 일부 금속과 금속 합금에서만 알려졌습니다. 1986년에는 특정 세라믹 산화물에서 소위 높은-온도 초전도체(high-temperature superconductivity)이 발견되었으며 현재 164K의 높은 온도에서 관찰되었습니다.
Superfluid
절대 영도에 가까운, 일부 액체는 초유체(superfluid)로 설명되는 두 번째 액체 상태를 형성하는데 왜냐하면 그것이 영 점도 (또는 무한 유동성; 즉 마찰 없이 흐르는 것)을 가지기 때문입니다 이것은 1937년에 람다 온도 2.17 K (−270.98 °C; −455.76 °F) 이하에서 초유체를 형성하는 헬륨에 대해 발견되었습니다. 이 상태에서, 그것은 컨테이너 밖으로 "오르기"를 시도할 것입니다. 그것은 역시 무한한 열전도율을 가지므로 초유체에서 온도 그래디언트가 형성될 수 없습니다. 회전하는 용기에 초유체를 넣으면 양자화된 와류가 발생할 것입니다.
이들 속성은 공통 동위원소 헬륨-4가 초유체 상태에서 보스-아인슈타인 응축 (다음 섹션 참조)을 형성한다는 이론으로 설명됩니다. 보다 최근에는, 희소한 동위원소 헬륨-3과 리튬-6에 의해 훨씬 더 낮은 온도에서 페르미온 응축 초유체가 형성되었습니다.
Bose–Einstein condensate
1924년에, 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)과 사티엔드라 나트 보스(Satyendra Nath Bose)는 때때로 물질의 다섯 번째 상태로 언급되는 "보스-아인슈타인 응축"(Bose–Einstein condensate, BEC)을 예측했습니다. BEC에서, 물질은 독립적인 입자로 행동하는 것을 멈추고 균등한 단일 파동함수로 설명될 수 있는 단일 양자 상태로 붕괴됩니다.
기체 상태에서, 보스-아인슈타인 응축은 수년 동안 검증되지 않은 이론적 예측으로 남아 있었습니다. 1995년 볼더에 있는 콜로라도 대학교 JILA의 에릭 코넬(Eric Cornell)과 칼 위먼(Carl Wieman) 연구 그룹은 그러한 응축을 실험적으로 처음으로 생산했습니다. 보스-아인슈타인 응축은 고체보다 "더 차갑습니다". 절대 영도에 매우 가까운 온도, −273.15 °C (−459.67 °F)에서 원자가 매우 유사한 (또는 같은) 양자 수준을 가질 때 발생할 수 있습니다.
Fermionic condensate
페르미온 응축(fermionic condensate)은 보스-아인슈타인 응축과 유사하지만 페르미온(fermions)으로 구성되어 있습니다. 파울리 제외 원리(Pauli exclusion principle)는 페르미온이 같은 양자 상태에 진입하는 것을 방지하지만, 한 쌍의 페르미온은 보손으로 행동할 수 있고, 그러한 여러 쌍은 제한 없이 같은 양자 상태에 진입할 수 있습니다.
Rydberg molecule
매우 비-이상적인 플라즈마의 준안정 상태(metastable states) 중 하나는 뤼드베리 물질(Rydberg matter)이라고 불리는 들뜬 원자(excited atoms)의 응축입니다. 이들 원자는 만약 그것들이 특정 온도에 도달하면 이온과 전자로 변할 수도 있습니다. 2009년 4월에, 네이처(Nature)는 뤼드베리 원자와 바닥 상태 원자로부터 뤼드베리 분자의 생성을 보고하였고 그러한 물질의 상태가 존재할 수 있음을 확인했습니다. 그 실험은 초저온 루비듐(rubidium) 원자를 사용하여 수행되었습니다.
Quantum Hall state
양자 홀 상태(quantum Hall state)는 전류 흐름에 수직인 방향으로 측정된 양자화된 홀 전압(Hall voltage)을 발생시킵니다. 양자 스핀 홀 상태(quantum spin Hall state)는 더 적은 에너지를 소모하고 더 적은 열을 발생시키는 전자 장치의 개발을 위한 길을 닦을 수 있는 이론적 단계입니다. 이것은 물질의 양자 홀 상태에서 파생된 것입니다.
Photonic matter
광자 물질은 기체와 상호 작용하는 광자(photon)가 겉보기 질량을 발생시키고, 서로 상호 작용하여, 광자 "분자"를 형성하는 현상입니다. 질량의 근원은 기체이며, 이는 거대합니다. 이것은 정지 질량(rest mass)을 가지지 않고, 상호 작용할 수 없는 빈 공간에서 움직이는 광자와는 대조적입니다.
Dropleton
이산 쌍으로 존재하는 것이 아니라 서로 주위를 흐르고 심지어 액체처럼 물결치는 전자와 정공의 "양자 안개"입니다.
High-energy states
Degenerate matter
죽은 별의 핵에서와 같이 극단적으로 높은 압력 아래에서, 보통의 물질은 주로 양자 역학 효과에 의해 지원되는 퇴화 물질(degenerate matter)로 집합적으로 알려진 일련의 이국적인 물질의 상태로 전환을 겪습니다. 물리학에서, "퇴화(degenerate)"는 같은 에너지를 가지고 있고 따라서 상호 교환이 가능한 두 상태를 참조합니다. 퇴화 물질은 두 개의 페르미온 입자가 같은 양자 상태를 차지하는 것을 방지하는 파울리 제외 원리(Pauli exclusion principle)에 의해 뒷받침됩니다. 정규 플라즈마와 달리, 퇴화 플라즈마는 열을 가해도 거의 팽창하지 않는데, 왜냐하면 단순 운동량 상태가 남아 있지 않기 때문입니다. 결과적으로, 퇴화 별은 매우 높은 밀도로 붕괴됩니다. 중력이 증가하지만 압력이 비례하여 증가하지 않기 때문에 더 무거운 퇴화 별일수록 크기가 작습니다.
전자-퇴화 물질(Electron-degenerate matter)은 백색 왜성(white dwarf) 별 내부에서 발견됩니다. 전자는 원자에 결합된 상태로 남아 있지만 인접한 원자로 이동할 수 있습니다. 중성자-퇴화 물질(Neutron-degenerate matter)은 중성자 별(neutron stars)에서 발견됩니다. 막대한 중력적 압력이 원자를 너무 강하게 압축하여 전자가 역 베타-붕괴를 통해 양성자와 강제로 결합하여, 중성자의 초고밀도 응집을 초래합니다. 통상적으로 원자 핵 외부의 자유 중성자(neutrons)는 약 10분의 반감기로 붕괴(decay)할 것이지만, 중성자 별에서, 붕괴가 역 붕괴로 이어집니다. 차가운 퇴화 물질은 목성과 같은 행성과 훨씬 더 무거운 갈색 왜성(brown dwarfs)에서도 존재하며, 핵에 금속 수소(metallic hydrogen)가 있을 것으로 예상됩니다. 퇴화성으로 인해, 더 무거운 갈색 왜성은 그다지 크지 않습니다. 금속에서, 전자는 비-퇴화 양 이온의 격자에서 이동하는 퇴화 기체로 모델링될 수 있습니다.
Quark matter
정규 차가운 물질에서, 핵 물질의 토대적 입자, 쿼크(quarks)는 강한 힘(strong force)에 의해 양성자와 중성자와 같은 2–4개의 쿼크로 구성된 헤드런(hadrons)에 가두어집니다. 쿼크 물질 또는 양자 색역학(Quantum Chromodynamical, QCD) 물질은 강한 힘이 극복되고 쿼크가 제한되지 않고 자유롭게 움직일 수 있는 상의 그룹입니다. 쿼크 물질 상은 극단적으로 높은 밀도 또는 온도에서 발생하고, 실험실에서 평형 상태로 그것들을 생성하는 방법은 알려져 있지 않습니다; 보통의 조건에서, 형성된 임의의 쿼크 물질은 즉시 방사성 붕괴를 겪습니다.
이상한 물질(Strange matter)은 톨만-오펜하이머-볼코프 한계(Tolman–Oppenheimer–Volkoff limit, 약 2–3 태양 질량)에 가까운 일부 중성자 별 내부에 존재하는 것으로 의심되는 일종의 쿼크 물질이지만, 그 존재에 대한 직접적인 증거는 없습니다. 이상한 물질에서, 사용 가능한 에너지의 일부는 공통적인 아래 쿼크(down quark)의 더 무거운 아날로그, 이상한 쿼크(strange quarks)로 나타납니다. 이것은 알려지지 않았지만, 일단 형성되면 더 낮은 에너지 상태에서 안정적일 수 있습니다.
쿼크-글루온 플라즈마(Quark–gluon plasma)는 쿼크를 함께 묶는 강력한 힘(strong force)을 전달하는 아원자 입자, 글루온(gluons)의 바다에서 쿼크가 입자에 영구적으로 결합되지 않고 자유로워지고 독립적으로 움직일 수 있는 매우 높은-온도 상입니다. 이것은 플라즈마에서 원자로부터 전자가 해방되는 것과 유사합니다. 이 상태는 입자 가속기(particle accelerators)에서 극단적으로 높은 에너지 무거운 이온 충돌에서 간단히 달성할 수 있고, 과학자들에게 개별적인 쿼크의 속성을 관찰하고, 이론화하도록 허용합니다. 쿼크-글루온 플라즈마는 2000년 CERN에서 발견되었습니다. 기체처럼 흐르는 플라즈마와 달리, QGP 내 상호 작용은 강하고 액체처럼 흐릅니다.
고밀도이지만 상대적으로 낮은 온도에서, 쿼크는 현재 그 본성이 알려지지 않은 쿼크 액체를 형성하는 것으로 이론화됩니다. 그것은 훨씬 더 높은 밀도에서 뚜렷한 색깔-향기 잠금(color-flavor locked, CFL) 상을 형성합니다. 이 상은 색깔 전하를 위한 초전도성(superconductive)입니다. 이들 상은 중성자 별(neutron stars)에서 발생할 수 있지만 현재로서는 이론적입니다.
Color-glass condensate
색깔-유리 응축은 빛의 속력에 가깝게 이동하는 원자 핵에 존재하는 것으로 이론화된 물질의 한 유형입니다. 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면, 높은-에너지 핵은 운동의 방향을 따라 길이가 수축되거나 압축된 것처럼 보입니다. 결과로써, 핵 내부의 글루온은 정지된 관찰자에게 거의 빛의 속도로 이동하는 "글루온 벽"으로 나타납니다. 매우 높은 에너지에서, 이 벽에서 글루온의 밀도는 크게 증가하는 것으로 보입니다. 그러한 벽의 충돌에서 생성된 쿼크-글루온 플라즈마와 달리, 색깔-유리 응축은 벽 자체를 설명하고, RHIC 및 가능한 Large Hadron Collider에서 그것들과 같은 높은-에너지 조건 아래에서만 관찰될 수 있는 입자의 고유 속성입니다.
Very high energy states
다양한 이론은 매우 높은 에너지에서 물질의 새로운 상태를 예측합니다. 알 수 없는 상태가 우주에서 바리온 비대칭(baryon asymmetry)을 만들어 왔지만, 그것에 대해 알려진 것은 거의 없습니다. 끈 이론(string theory)에서, 하게도른 온도(Hagedorn temperature)는 약 \(10^{30}\) K에서 초끈에 대해 예측되며, 이 온도에서는 초끈이 대량으로 생성됩니다. 플랑크 온도(Planck temperature, \(10^{32}\) K)에서, 중력은 개별 입자 사이에서 중요한 힘이 됩니다. 현재 어떤 이론도 이들 상태를 설명할 수 없고 그것들은 임의의 예측 가능한 실험으로도 생성할 수 없습니다. 어쨌든, 이들 상태는 우주가 빅뱅에서 이러한 상태를 통과했을 수 있기 때문에 우주론에서 중요합니다.
일반 상대성(general relativity)에 의해 블랙홀의 중심에 존재할 것으로 예측되는 중력 특이점(gravitational singularity)은 물질의 상이 아닙니다; 그것은 전혀 물질적 대상이 아니라 (비록 물질의 질량-에너지가 그 생성에 기여했지만) 오히려 시공간의 속성입니다. 그곳에서 시공간이 무너지기 때문에, 그 특이점은 지역적인 구조가 아니라, 전역적, 토폴로지적 시공간의 특징으로 생각해야 합니다. 기본 입자도 토대적으로 물질이 아니지만, 시공간의 지역화된 속성이라는 주장이 제기되어 왔습니다. 양자 중력에서, 특이점은 실제로 물질의 새로운 상으로의 전환을 표시할 수 있습니다.
Other proposed states
Supersolid
초고체는 초유체 속성을 갖는 공간적으로 순서화된 물질 (즉, 고체 또는 수정)입니다. 초유체와 마찬가지로, 초고체는 마찰 없이 움직일 수 있지만 단단한 모양을 유지합니다. 초고체는 고체이지만, 다른 고체와는 다른 많은 속성을 나타내어 또 다른 물질의 상태라고 주장하는 사람들이 많습니다.
String-net liquid
끈-그물 액체에서, 원자는 액체처럼 겉보기에 불안정한 배열을 가지고 있지만, 고체처럼 전체 패턴에서는 여전히 일관성이 있습니다. 정상적인 고체 상태에 있을 때, 물질의 원자는 격자 패턴으로 정렬되어, 임의의 전자의 스핀이 접촉하는 모든 전자의 스핀과 반대입니다. 그러나 끈-그물 액체에서, 원자는 일부 전자가 동일한 스핀을 가진 이웃을 가져야 하는 패턴으로 배열됩니다. 이것은 우주 자체의 토대적 조건에 대한 몇 가지 특이한 제안을 뒷받침할 뿐만 아니라 기이한 속성을 야기합니다.
Superglass
초유리는 동시에 초유동성(superfluidity)과 얼어붙은 무정형 구조를 특징으로 하는 물질의 상입니다.
Arbitrary definition
통일된 근거를 만들기 위해 여러 번 시도되어 왔지만, 궁극적으로 물질의 어떤 상태가 존재하고 상태가 변경되는 지점에 대한 정의는 임의적입니다. 일부 저자는 물질의 상태가 엄격하게 정의되는 대신 고체와 플라즈마 사이의 스펙트럼(spectrum)으로 생각하는 것이 더 낫다고 제안해 왔습니다.
External links
- 2005-06-22, MIT News: MIT physicists create new form of matter Citat: "... They have become the first to create a new type of matter, a gas of atoms that shows high-temperature superfluidity."
- 2003-10-10, Science Daily: Metallic Phase For Bosons Implies New State Of Matter
- 2004-01-15, ScienceDaily: Probable Discovery Of A New, Supersolid, Phase Of Matter Citat: "...We apparently have observed, for the first time, a solid material with the characteristics of a superfluid...but because all its particles are in the identical quantum state, it remains a solid even though its component particles are continually flowing..."
- 2004-01-29, ScienceDaily: NIST/University Of Colorado Scientists Create New Form Of Matter: A Fermionic Condensate
- Short videos demonstrating of States of Matter, solids, liquids and gases by Prof. J M Murrell, University of Sussex
