Simetrija vode

Simetrija vode

Kada se stvari jako ugriju ili jako ohlade, katkad se promijene. A katkad je ta promjena tako velika da ne možete prepoznati stvari kakve su bile. Zbog vrućine tik nakon velikog praska i zbog brzog pada temperature pri širenju i hlađenju svemira, razumijevanje učinaka promjene temperature ključno je za shvaćanje rane povijesti svemira. No počnimo s jednostavnijom pričom. Počnimo s ledom.

Ako zagrijavate vrlo hladan komad leda, isprva se ne događa mnogo toga. Iako mu temperatura raste, izgled mu uglavnom ostaje isti. No ako podignete temperaturu sve do 0 stupnjeva Celzija i ne prestajete ga zagrijavati, odjednom se dogodi nešto dramatično. Čvrsti led počinje se topiti i pretvarati u tekuću vodu.

Neka vas poznatost te preobrazbe ne liši njezine spektakularnosti. Bez prethodnog iskustva s ledom i vodom bilo bi teško uočiti blisku povezanost između njih. Jedno je čvrsta tvar tvrda poput stijene, a drugo je viskozna tekućina. Jednostavnim opažanjem ne otkriva se nikakve izravne dokaze da je njihov molekularni sastav identičan – H2O.

Ako nikad prije niste vidjeli led ili vodu, a sada vam je netko pokazao posude s jednim i drugim, isprva vjerojatno ne biste pomislili da su identični. No ipak, kad prelaze barijeru od 0 stupnjeva Celzija, svjedočimo čudesnoj alkemiji dok oni prelaze jedno u drugo.

Ako nastavite grijati tekuću vodu, opet ćete vidjeti da se neko vrijeme ne događa mnogo toga osim postojanog porasta temperature. No kada dosegnete 100 stupnjeva Celzija, dolazi do još jedne nagle promjene: tekuća voda počinje ključati i pretvarati se u paru, vrući plin koji također nije bjelodano povezan s tekućom vodom ni s čvrstim ledom.

Ali naravno, sve troje imaju isti molekularni sastav. Promjene iz čvrstog u tekuće i tekućeg u plinovito poznate su kao fazni prijelazi. Već ina tvari prolazi kroz sličan niz promjena ako im se temperatura mijenja u dovoljno velikom opsegu.

Kad bismo još podizali temperaturu, dobili bismo i četvrto stanje materije, poznato kao plazma, u kojem se atomi raspadaju na sastavne čestice.

Simetrija igra glavnu ulogu u faznim prijelazima, u gotovo svim slučajevima, usporedimo li odgovarajuću mjeru simetrije ne prije i nakon faznog prijelaza, zapazit ćemo znatnu promjenu. Na primjer, na molekularnoj razini led ima kristalni oblik: molekule H2O poredane su u urednu, šesterokutnu laticu. Opći uzorak molekula leda ostaje nepromijenjen samo nekim, osobitim manipulacijama, poput rotacije za 60 stupnjeva oko pojedinih osi šesterokutnog rasporeda. Suprotno tome, kad grijemo led, kristalni raspored topi se i pretvara u pomiješanu, jednoliku hrpu molekula – tekuću vodu – koja ostaje nepromijenjena nakon rotacije pod bilo kojim kutom, oko bilo koje osi.

Dakle, grijući led i tjerajući ga tako da se podvrgne faznom prijelazu iz čvrstog u tekuće agregatno stanje, povećali smo mu simetriju. (Ne zaboravimo da, iako intuitivno možda mislite da je ono što je uređenije, poput leda, također i više simetrično, istina je upravo suprotna; nešto je više simetrično ako ga se može podvrgnuti većem broju transformacija, primjerice rotacija, a da mu pojavnost ostane ista.)

Slično tome, ako grijemo tekuću vodu i ona se pretvori u plinovitu vodenu paru, fazni prijelaz također dovodi do porasta simetrije.

U kaplji vode su pojedinačne molekule H20 u prosjeku raspoređene tako da je vodikova strana jedne molekule postavljena uz kisikovu stranu susjedne molekule. Kad biste zarotirali jednu ili drugu molekulu u kaplji, zamjetno biste poremetili raspored molekula. No kad voda ključa i pretvara se u paru, molekule slobodno šibaju naokolo; više nema nikakvog modela usmjerenosti molekula H20 i stoga, kad biste zarotirali molekulu ili više njih, plin bi izgledao isto. Dakle, kao što prijelaz iz leda u vodu rezultira porastom simetrije, isti rezultat daje i prijelaz iz vode u vodenu paru. Većina tvari (ali ne sve, npr. rošelske soli) ponašaju se na sličan način i simetrija im raste kad ih se podvrgne prijelazima iz čvrstog u tekuće i iz tekućeg u plinovito stanje.

Priča je uglavnom ista kada hladimo vodu ili gotovo bilo koju I drugu tvar; samo, sve se događa suprotnim smjerom. Na primjer, I kada hladite vodenu paru, na početku se ne događa ništa, ali kad joj I temperatura padne na 100 Celzija, iznenada se počne kondenzirati I u tekuću vodu; kada hladite tekuću vodu, ne događa se mnogo toga i sve dok se ne spustite na 0 stupnjeva Celzija, kad se odjednom počne i pretvarati u čvrsti led. Prema istoj logici, s obzirom na simetriju – ali u obratnom smjeru — zaključujemo da oba fazna prijelaza prati smanjenje simetrije.

Izvori/dodatno čitanje:

Brian Greene, Tkivo svemira, Isparavanje vakuuma, 2006.