Ученые разделяют все частицы на две большие по размеру группы – фермионы и бозоны. Когда речь заходит о бозоне, в первую очередь в Глову приходит известный бозон Хиггса, обнаруженный на Большом адроном клллайдере. В действительности же бозоны составляют отдельный класс разного рода частиц, в том числе и некоторые атомы. В эту группу входят глюоны и фотоны, соединяющие кварки в нейтроны и фотоны. Основное свойство бозонов заключается в том, что две частицы могут находиться в одинаковом квантовом состоянии, то есть, быть точными копиями друг друга, объединяясь в одну «сверхчастицу». За счет этого они могут формировать поля и выступать в качестве переносчиков взаимодействий (ядерных или электромагнитных).

К фермионам относятся, в частности, протоны, электроны, нейтроны, а кроме того – кварки. Однако фермионы не имеют такой особенности, как бозоны. В данном случае действует принцип запрета, который сформулировал физик Вольфганг Паули в 1925 году: два и более фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Данный принцип защищает Вселенную от полного разрушения, потому как именно за счет этого возможно существование атомов с их орбиталями. Орбитали наполняются электронами (электронными оболочками), за каждой из которых не бывает двух одинаковых частиц, обладающих одинаковыми квантовыми соединениями. По этой причине фермионы выступают «строительными кирпичиками» материи.

Если представить жидкость, которая после наливания в стакан просачивается сквозь микроскопические трещины в стенках, поднимаясь по ним вопреки законам гравитации, и предположить, что существует емкость, способная удержать такую странную жидкость, тогда можно спокойно оставить эту жидкость в этой емкости и уйти на миллион лет, по возвращении застав ее в том же состоянии и вращающейся с той же скоростью. Речь в данном случае идет о сверхтекучем гелии-4. Наличие таких необычных свойств связано с тем, что при очень низких температурах сила трения перестает на него действовать.

Обнаружил сверхтекучесть советский физик и нобелевский лауреат Петр Капица в 1937 году. Для этого ученый охладит атомы гелия до температуры, немного выше абсолютного нуля (то есть, до -273 градусов по Цельсию) и наблюдал за тем, как гелий достаточно легко перетек из одной стеклянной емкости в другую сквозь тонкую трубочку, диаметр которой не превышал 0,5 микрометра.

Для создания сверхтекучего вещества ученые охлаждают большое количество атомов гелия-4. При этом атомные частицы, именуемые бозонами, переходят в одинаковое минимально возможное квантовое состояние, образуя словно одну каплю гигантских размеров. В таком виде у них отсутствует внутренняя тепловая энергия, и они продолжают дрожать только за счет квантовых колебаний. Эти колебания не дают гелию перейти в состояние твердого кристалла, но в то же время их недостаточно, чтобы рассеять поток жидкости за счет силы трения кинетической энергии. Квантовые эффекты, таким образом, обычно происходящие на уровне субатомов, можно увидеть даже невооруженным взглядом. Можно увидеть, как гелий-4 при понижении температуры превращается в жидкость, которая почти полностью лишена вязкости.

Особенность бозонов находиться в одинаковом состоянии дает возможность не только создать квантовую жидкость, но и конденсат Бозе-Эйнштейна. Это одно из агрегатных состояний вещества вместе с жидкостью, твердыми телами, плазмой и газом. Впервые его удалось получить в Объединенном институте лабораторной астрофизики в 1995 году нобелевские лауреаты Эрик Корнелл и Карл Виман. Исследователи охладили газ, пойманный в специальное устройство. Газ состоял из атомов рубидия-87, охлажденного до температуры 170 нанокельвин.

Гипотеза физика из Франции Луи де Бройля гласит, что все частицы, в том числе и атомы, обладают волновой природой, то есть, каждой частице соответствует определенная волна (так называемая волна де Бройля), гребни которой указывают на то, где с наибольшей вероятностью находится эта частица. Чем быстрее движется эта частица и чем больше ее масса, тем короче будет эта возможная волна. По этой причине в масштабе, привычном для людей – волновые свойства материи практически не проявляются. Но если только заморозить бозоны, волны де Бойля, связанные с ними, объединяются в одну длинную большую волну. В конечном итоге получается квантовый газ, который можно представить в виде одного большого атома.

В то же время, при помощи бозе-конденсата ученые создают аналоги черных дыр. А все потому, что в данном веществе возможно уменьшение скорости света до нескольких метров в секунду. Если в это время в конденсате еще и создать вихрь, придав веществу скорость, превышающую «местную» скорость света, то получится оптическая черная дыра. Выглядит она как зона, вращение которой увлекает свет за собой, не давая ему возможности выбраться обратно. Впрочем, подобный объект является всего лишь отдаленной аналогией настоящей черной дыры, поэтому для нашей планеты никакой угрозы не несет.

Внутри газовых гигантов, в частности, Юпитера, имеется большое давление, достигающее сотен тысяч земных атмосфер. Оно порождает еще одно необычное вещество – металлический водород. Его особенность заключается в способности в высокотемпературной сверхпроводимости.

И сверхтекучесть, и сверхпроводимость являются квантовыми явлениями и в большинстве случаев возникает в случае понижения температур до сверхнизких показателей. В сверхпроводнике электроны на своем пути не встречают сопротивления, поэтому потери электрической энергии в виде тепле не происходит. Но в то же время электроны являются фермионами, а не бозонами, поэтому они не в состоянии принимать одинаковое квантовое состояние. Гипотеза, которую предложили физики Купер, Бардин и Шриффер, пытается объяснить сверхпроводимость тем, что при объединении электронов в пары они ведут себя подобно бозонам.

В то же время, данная теория не может объяснить высокотемпературную проводимость, которая возникает, когда температура превышает 30 кельвинов. Металлический водород является сверхпроводящей жидкостью при комнатных температурах. Однако получить его в лабораторных условиях крайне сложно. Ученые даже назвали его «святым Граалем» в области физики высоких давлений.

В большинстве своем звезды состоят из фермионов. Они защищены от гравитационного коллапса принципом Коули, который запрещает частицам находиться в одинаковом квантовом состоянии. Но тогда возникает вопрос: может ли существовать бозонная звезда? Такая звезда на первый взгляд должна выглядеть нестабильной. В силу того, что бозоны отвечают за взаимодействия, бозонная звезда является своеобразной волной, которую удерживает гравитация в ограниченной области пространства.

В теории существование бозонных звезд возможно, в случае, если они состоят из особого рода стабильных бозонов. Некоторые исследователи полагают, что данный космический объект может быть гигантским конденсатом Бозе-Эйнштейна. Бозонная звезда внешне должна быть компактной, напоминая нейтронную звезду или белый карлик.

Кроме того, бозонную звезду можно рассматривать в качестве атома гигантских размеров. Те частицы, которые составляют тело звезды, могут формировать конфигурации, которые похожи на электронные орбитали. Подобно обычным атомам, бозонные звезды могут переходить из возбужденного состояния в состояние покоя и обратно, при этом испуская спонтанное излучение. Правда, в таком случае излучаются не фотоны, а бозоны и гравитоны, из которых должна состоять подобная звезда.