Иметь значение

Чтобы узнать о других значениях, см. Материя (значения) .

Водород в плазменном состоянии — самое распространенное обычное вещество во Вселенной.

В классической физике и общей химии материя – это любое вещество , имеющее массу и занимающее пространство благодаря объему . Все предметы повседневного обихода, к которым можно прикоснуться, в конечном счете состоят из атомов , которые состоят из взаимодействующих субатомных частиц , и в повседневном, а также в научном использовании материя обычно включает в себя атомы и все, что состоит из них, а также любые частицы (или комбинации частиц). ), которые действуют так, как если бы они имели и массу покоя , и объем . Однако он не включает безмассовые частицы , такие как фотоны , или другие энергетические явления или волны, такие как свет или тепло . Материя существует в различных состояниях (также известных как фазы ). К ним относятся классические повседневные фазы, такие как твердое тело , жидкость и газ (например, вода существует в виде льда , жидкой воды и газообразного пара ), но возможны и другие состояния, включая плазму , конденсаты Бозе-Эйнштейна , фермионные конденсаты и кварк-глюонную плазму. .

Обычно атомы можно представить как ядро ​​из протонов и нейтронов и окружающее его «облако» вращающихся по орбитам электронов , которые «занимают пространство». Однако это лишь отчасти верно, поскольку субатомные частицы и их свойства определяются их квантовой природой , а это означает, что они действуют не так, как кажутся повседневные объекты – они могут действовать как волны, а также как частицы , и у них нет хороших результатов. определенные размеры или позиции. В Стандартной модели физики элементарных частиц материя не является фундаментальной концепцией, поскольку элементарные составляющие атомов представляют собой квантовые объекты, не обладающие присущим им «размером» или « объемом » в любом повседневном смысле этого слова. Из-за принципа исключения и других фундаментальных взаимодействий некоторые « точечные частицы », известные как фермионы ( кварки , лептоны ), а также многие композиты и атомы, эффективно вынуждены держаться на расстоянии от других частиц в повседневных условиях; это создает свойство материи, которая кажется нам материей, занимающей пространство.

На протяжении большей части истории естественных наук люди размышляли о точной природе материи. Идея о том, что материя построена из дискретных строительных блоков, так называемая теория частиц материи , появилась как в Древней Греции , так и в Древней Индии . Среди первых философов, предложивших теорию частиц, - древнеиндийский философ Канада (ок. VI века до н.э. или позже), -досократик греческий философ Левкипп (~ 490 г. до н.э.) и греческий философ-досократик Демокрит (~ 470–380 гг. до н.э.).

Связанные понятия

Сравнение с массой

Материю не следует путать с массой, поскольку в современной физике это не одно и то же. Материя – это общий термин, описывающий любую «физическую субстанцию». Напротив, масса — это не субстанция, а скорее количественное свойство материи и других веществ или систем; определены различные типы массы В физике , включая, помимо прочего, массу покоя , инертную массу , релятивистскую массу , массу-энергию .

Хотя существуют разные взгляды на то, что следует считать материей, масса вещества имеет точные научные определения. Другое отличие состоит в том, что у материи есть «противоположность», называемая антиматерией не существует такой вещи, как «антимасса» или отрицательная масса , но у массы нет противоположности — насколько известно, , хотя ученые обсуждают эту концепцию. Антивещество имеет такое же (то есть положительное) свойство массы, что и его обычный аналог материи.

В разных областях науки термин «материя» используется по-разному, а иногда и несовместимо. Некоторые из этих способов основаны на расплывчатых исторических значениях, возникших в то время, когда не было причин отличать массу от простого количества материи . Таким образом, не существует единого общепринятого научного значения слова «материя». С научной точки зрения термин «масса» имеет четкое определение, но «материю» можно определить несколькими способами. Иногда в области физики «материю» просто приравнивают к частицам, обладающим массой покоя (т. е. не способным двигаться со скоростью света), таким как кварки и лептоны. Однако и в физике , и в химии материя проявляет как волновые , так и корпускулярные свойства, так называемый корпускулярно-волновой дуализм .

Связь с химическим веществом

Этот раздел представляет собой отрывок из книги «Химическое вещество» . [ редактировать ]

Пар и жидкая вода — это две разные формы одного и того же чистого химического вещества — воды.

Химическое вещество — это уникальная форма вещества с постоянным химическим составом и характерными свойствами . Химические вещества могут иметь форму одного элемента или химических соединений . Если два или более химических веществ можно соединить, не вступая в реакцию , они могут образовать химическую смесь . Если смесь разделяют с целью выделения одного химического вещества до желаемой степени, полученное вещество называют химически чистым .

Химические вещества могут существовать в нескольких различных физических состояниях или фазах (например, в твердых телах , жидкостях , газах или плазме ) без изменения их химического состава. Вещества переходят между этими фазами вещества в ответ на изменения температуры или давления . Некоторые химические вещества могут соединяться или превращаться в новые вещества посредством химических реакций . Химические вещества, не обладающие этой способностью, называются инертными .

Чистая вода является примером химического вещества с постоянным составом двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода (т.е. H ₂ O). Атомное соотношение водорода и кислорода в каждой молекуле воды всегда составляет 2:1. Чистая вода имеет тенденцию кипеть при температуре около 100 °C (212 °F), что является примером одного из характерных свойств, определяющих ее. Другие известные химические вещества включают алмаз (форма элемента углерода ), поваренную соль (NaCl; ионное соединение ) и рафинированный сахар (C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ ; органическое соединение ).

Определение

На основе атомов

Определение «материи», основанное на ее физической и химической структуре, таково: материя состоит из атомов . Такую атомарную материю также иногда называют обычной материей . Например, дезоксирибонуклеиновой кислоты молекулы (ДНК) согласно этому определению являются материей, поскольку они состоят из атомов. Это определение можно расширить, включив в него заряженные атомы и молекулы, включив в него плазму (газы ионов) и электролиты (ионные растворы), которые явно не включены в определение атомов. В качестве альтернативы можно принять протонов, нейтронов и электронов определение .

На основе протонов, нейтронов и электронов

Определение «материи» более мелкомасштабное, чем определение атомов и молекул: материя состоит из того, из чего атомы и молекулы состоят , то есть все, что состоит из положительно заряженных протонов , нейтральных нейтронов и отрицательно заряженных электронов . Однако это определение выходит за рамки атомов и молекул и включает вещества, состоящие из этих строительных блоков, которые не являются просто атомами или молекулами, например, электронные лучи в старом телевизоре с электронно-лучевой трубкой или вещество белых карликов — обычно ядра углерода и кислорода в море вырожденных электронов. На микроскопическом уровне составляющие «частицы» материи, такие как протоны, нейтроны и электроны, подчиняются законам квантовой механики и демонстрируют корпускулярно-волновой дуализм. На еще более глубоком уровне протоны и нейтроны состоят из кварков и силовых полей ( глюонов ), которые связывают их вместе, что приводит к следующему определению.

На основе кварков и лептонов

Согласно определению «кварков и лептонов», элементарные и составные частицы, состоящие из кварков (фиолетового цвета) и лептонов (зеленого цвета), будут материей, тогда как калибровочные бозоны (красного цвета) не будут материей. Однако энергия взаимодействия, присущая составным частицам (например, глюонам, участвующим в нейтронах и протонах), вносит свой вклад в массу обычной материи.

Как видно из приведенного выше обсуждения, многие ранние определения того, что можно назвать «обычной материей», основывались на ее структуре или «строительных блоках». В масштабе элементарных частиц определение, соответствующее этой традиции, можно сформулировать так: «Обычная материя — это все, что состоит из кварков и лептонов », или «Обычная материя — это все, что состоит из любых элементарных фермионов, кроме антикварков и антилептонов». Связь между этими формулировками следующая.

Лептоны (самый известный из которых — электрон ) и кварки (из которых барионы , такие как протоны и нейтроны состоят ) объединяются, образуя атомы , которые, в свою очередь, образуют молекулы . Поскольку атомы и молекулы считаются материей, естественно сформулировать это определение так: «Обычная материя — это все, что состоит из тех же веществ, из которых состоят атомы и молекулы». (Однако заметьте, что из этих строительных блоков можно также создать материю, которая не является атомами или молекулами.) Затем, поскольку электроны — это лептоны, а протоны и нейтроны состоят из кварков, это определение, в свою очередь, приводит к определению материи как «кварки и лептоны», которые представляют собой два из четырех типов элементарных фермионов (два других — антикварки и антилептоны, которые можно считать антиматерией, как описано позже). Каритерс и Граннис утверждают: «Обычная материя полностью состоит из частиц первого поколения , а именно [верхних] и [нижних] кварков, а также электрона и его нейтрино». (Частицы более высоких поколений быстро распадаются на частицы первого поколения и поэтому встречаются нечасто. )

Это определение обычной материи более тонкое, чем кажется на первый взгляд. Все частицы, составляющие обычную материю (лептоны и кварки), являются элементарными фермионами, а все носители силы — элементарными бозонами. Бозоны W и Z , обеспечивающие слабое взаимодействие , не состоят из кварков или лептонов и поэтому не являются обычной материей, даже если у них есть масса. Другими словами, масса не является чем-то исключительным для обычной материи.

Однако кварк-лептонное определение обычной материи идентифицирует не только элементарные строительные блоки материи, но также включает в себя композиты, состоящие из составляющих (например, атомов и молекул). Такие композиты содержат энергию взаимодействия, которая удерживает компоненты вместе и может составлять основную массу композита. Например, масса атома в значительной степени представляет собой просто сумму масс составляющих его протонов, нейтронов и электронов. Однако, если копнуть глубже, протоны и нейтроны состоят из кварков, связанных между собой глюонными полями (см. динамику квантовой хромодинамики ), и эти глюонные поля вносят значительный вклад в массу адронов. Другими словами, большая часть того, что составляет «массу» обычной материи, обусловлена ​​энергией связи кварков внутри протонов и нейтронов. Например, сумма масс трех кварков в нуклоне составляет примерно 12,5 МэВ/ с. ² , что мало по сравнению с массой нуклона (около 938 МэВ/ c ² ). Суть в том, что большая часть массы предметов быта возникает за счет энергии взаимодействия его элементарных компонентов.

Стандартная модель группирует частицы материи в три поколения, каждое из которых состоит из двух кварков и двух лептонов. Первое поколение — это верхние и нижние кварки, электрон и электронное нейтрино ; ко второму относятся очаровательные и странные кварки, мюон и мюонное нейтрино ; третье поколение состоит из верхних и нижних кварков, а также тау и тау-нейтрино . Наиболее естественным объяснением этому было бы то, что кварки и лептоны высших поколений являются возбужденными состояниями первых поколений. Если это окажется так, это будет означать, что кварки и лептоны являются составными частицами , а не элементарными частицами .

Это кварк-лептонное определение материи также приводит к тому, что можно описать как законы «сохранения (чистой) материи», которые обсуждаются ниже. В качестве альтернативы можно вернуться к концепции материи «масса-объем-пространство», что приведет к следующему определению, в которое антиматерия будет включена как подкласс материи.

На основе элементарных фермионов (масса, объем и пространство)

Распространенное или традиционное определение материи — «все, что имеет массу и объем (занимает пространство )». Например, можно сказать, что автомобиль сделан из материи, поскольку он имеет массу и объем (занимает пространство).

Наблюдение о том, что материя занимает пространство, восходит к древности. Однако объяснение того, почему материя занимает пространство, появилось недавно и, как утверждается, является результатом явления, описанного в принципе исключения Паули . что применимо к фермионам . Двумя конкретными примерами, где принцип исключения четко связывает материю с занятостью космоса, являются звезды белые карлики и нейтронные звезды, которые обсуждаются ниже.

Таким образом, материю можно определить как все, что состоит из элементарных фермионов. Хотя мы не сталкиваемся с ними в повседневной жизни, антикварки (такие как антипротон ) и антилептоны (такие как позитрон ) являются античастицами кварка и лептона, также являются элементарными фермионами и обладают по существу теми же свойствами, что и кварки и лептоны. лептонов, включая применимость принципа Паули, который, можно сказать, не позволяет двум частицам находиться в одном и том же месте в одно и то же время (в одном и том же состоянии), т.е. заставляет каждую частицу «занимать пространство». Это конкретное определение приводит к тому, что материя определяется как включающая все, что состоит из этих частиц антиматерии , а также обычных кварков и лептонов, и, следовательно, также все, что состоит из мезонов , которые являются нестабильными частицами, состоящими из кварка и антикварка.

В общей теории относительности и космологии

В контексте теории относительности масса не является аддитивной величиной в том смысле, что нельзя сложить массы покоя частиц в системе, чтобы получить общую массу покоя системы. не сумма масс покоя , а тензор энергии-импульса Таким образом, в теории относительности обычно более общая точка зрения состоит в том, что количество материи определяет . Этот тензор дает массу покоя всей системы. Поэтому «материю» иногда рассматривают как все, что вносит вклад в энергию-импульс системы, то есть все, что не является чисто гравитацией. Этой точки зрения обычно придерживаются в областях, связанных с общей теорией относительности, таких как космология . С этой точки зрения свет и другие безмассовые частицы и поля являются частью «материи».

Состав

В физике элементарных частиц фермионы — это частицы, подчиняющиеся статистике Ферми–Дирака . Фермионы могут быть элементарными, как электрон, или составными, как протон и нейтрон. В Стандартной модели есть два типа элементарных фермионов: кварки и лептоны, которые обсуждаются далее.

Кварки

Основная статья: Кварк

Кварки – это массивные частицы со спином. 1/2 , подразумевая , фермионами что они являются . Они несут электрический заряд — 1 ⁄ 3   e (кварки нижнего типа) или + 2 ⁄ 3 e (кварки up-типа). Для сравнения, электрон имеет заряд −1 э. Они также несут цветовой заряд , который является эквивалентом электрического заряда сильного взаимодействия . Кварки также подвергаются радиоактивному распаду , то есть они подвержены слабому взаимодействию .

Свойства кварка

имя	символ	вращаться	электрический заряд ( Это )	масса ( МэВ / c 2 )	масса, сравнимая с	античастица	античастица символ
кварки верхнего типа
вверх	в	1 ⁄ 2	+ 2 ⁄ 3	от 1,5 до 3,3	~ 5 электронов	антиуп	в
очарование	с	1 ⁄ 2	+ 2 ⁄ 3	с 1160 до 1340	~1 протон	античарм	с
вершина	т	1 ⁄ 2	+ 2 ⁄ 3	от 169 100 до 173 300	~180 протонов или ~1 вольфрама атом	антитоп	т
кварки нижнего типа
вниз	д	1 ⁄ 2	− 1 ⁄ 3	от 3,5 до 6,0	~10 электронов	антидаун	д
странный	с	1 ⁄ 2	− 1 ⁄ 3	от 70 до 130	~ 200 электронов	антистранный	с
нижний	б	1 ⁄ 2	− 1 ⁄ 3	с 4130 до 4370	~ 5 протонов	антидно	б

Барионный

Основная статья: Барион

Кварковая структура протона: 2 верхних кварка и 1 нижний кварк.

Барионы являются сильно взаимодействующими фермионами и поэтому подчиняются статистике Ферми – Дирака. Среди барионов есть протоны и нейтроны, которые встречаются в атомных ядрах, но существует также множество других нестабильных барионов. Термин «барион» обычно относится к трикваркам — частицам, состоящим из трех кварков. Также «экзотические» барионы, состоящие из четырех кварков и одного антикварка, известны как пентакварки , но их существование не является общепринятым.

Барионная материя — это часть Вселенной, состоящая из барионов (включая все атомы). Эта часть Вселенной не включает в себя темную энергию , темную материю , черные дыры или различные формы вырожденной материи, такие как звезды -белые карлики и нейтронные звезды . Микроволновой свет, наблюдаемый зондом микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP), предполагает, что только около 4,6% той части Вселенной, которая находится в пределах досягаемости лучших телескопов (то есть материи, которая может быть видима, поскольку свет может достичь нас от нее), состоит из барионной материи. Около 26,8% составляет темная материя, а около 68,3% — темная энергия.

Подавляющее большинство обычной материи во Вселенной невидимо, поскольку видимые звезды и газ внутри галактик и скоплений составляют менее 10 процентов вклада обычной материи в плотность массы и энергии Вселенной.

адронный

Адронная материя может относиться к «обычной» барионной материи, состоящей из адронов (барионов и мезонов ), или кварковой материи (обобщению атомных ядер), то есть к «низкотемпературной» материи КХД . Он включает в себя вырожденную материю и результат столкновений тяжелых ядер высоких энергий.

Выродиться

Основная статья: Вырожденная материя

В физике вырожденная материя относится к основному состоянию газа фермионов при температуре, близкой к абсолютному нулю. Принцип Паули требует, чтобы только два фермиона могли находиться в квантовом состоянии: один со спином вверх, другой со спином вниз. Следовательно, при нулевой температуре фермионы заполняют достаточные уровни, чтобы разместить все доступные фермионы, а в случае многих фермионов максимальная кинетическая энергия (называемая энергией Ферми ) и давление газа становятся очень большими и зависят от количество фермионов, а не температура, в отличие от нормальных состояний материи.

Считается, что вырожденная материя возникает в ходе эволюции тяжелых звезд. Демонстрация Субраманьяном Чандрасекаром того, что белые карлики имеют максимально допустимую массу из-за принципа исключения, вызвала революцию в теории эволюции звезд.

Вырожденная материя включает в себя часть Вселенной, состоящую из нейтронных звезд и белых карликов.

Странный

Основная статья: Странная материя

Странная материя — это особая форма кварковой материи , которую обычно считают жидкостью , состоящей из верхних , нижних и странных кварков. Ее противопоставляют ядерной материи , которая представляет собой жидкость нейтронов и протонов (которые сами построены из верхних и нижних кварков), и нестранной кварковой материи, которая представляет собой кварковую жидкость, содержащую только верхние и нижние кварки. Ожидается, что при достаточно высокой плотности странная материя станет цветной сверхпроводимостью . Предполагается, что странная материя встречается в ядрах нейтронных звезд или, более умозрительно, в виде изолированных капель, размер которых может варьироваться от фемтометров ( странглетов ) до километров ( кварковые звезды ).

Два значения

В физике элементарных частиц и астрофизике этот термин используется в двух смыслах: один более широкий, а другой более конкретный.

1. В более широком смысле — это просто кварковая материя, содержащая три разновидности кварков: верхний, нижний и странный. В этом определении существует критическое давление и связанная с ним критическая плотность, и когда ядерная материя (состоящая из протонов и нейтронов ) сжимается сверх этой плотности, протоны и нейтроны диссоциируют на кварки, образуя кварковую материю (вероятно, странную материю).
2. В более узком смысле это кварковая материя, которая более стабильна, чем ядерная материя . Идея о том, что это может произойти, является «гипотезой странной материи» Бодмера. и Виттен. В этом определении критическое давление равно нулю: истинное основное состояние материи всегда является кварковой материей. Ядра, которые мы видим в окружающей нас материи и которые представляют собой капли ядерной материи, на самом деле метастабильны и при наличии достаточного времени (или правильного внешнего стимула) распадутся на капли странной материи, то есть странные капли .

Лептоны

Основная статья: Лептон

Лептоны – это частицы спин- 1/2 , что означает , фермионы они что . Они несут электрический заряд −1 e (заряженные лептоны) или 0 e (нейтрино). В отличие от кварков, лептоны не несут цветового заряда , а это означает, что они не испытывают сильного взаимодействия . Лептоны также подвергаются радиоактивному распаду, а это означает, что они подвержены слабому взаимодействию . Лептоны — массивные частицы, поэтому подвержены гравитации.

Лептонные свойства

имя	символ	вращаться	электрический заряд ( Это )	масса ( МэВ / c 2 )	масса, сравнимая с	античастица	античастица символ
заряженные лептоны
электрон	Это −	1 ⁄ 2	−1	0.5110	1 электрон	антиэлектрон	Это +
мюон	м −	1 ⁄ 2	−1	105.7	~ 200 электронов	антимюон	м +
да	т −	1 ⁄ 2	−1	1,777	~ 2 протона	антитау	т +
нейтрино
электронное нейтрино	н Это	1 ⁄ 2	0	< 0,000460	< 1 ⁄ 1000 электрона	электронное антинейтрино	н Это
нейтрино умирает	н м	1 ⁄ 2	0	< 0,19	< 1 ⁄ электрон ​	мюонное антинейтрино	н м
тау-нейтрино	н т	1 ⁄ 2	0	< 18,2	< 40 электронов	тау-антинейтрино	н т

Фазы

Основная статья: Фаза (материя)

См. Также: Фазовая диаграмма и Состояние вещества.

Фазовая диаграмма типичного вещества при фиксированном объеме

В массе материя может существовать в нескольких различных формах или агрегатных состояниях, известных как фазы . в зависимости от давления окружающей среды , температуры и объема . Фаза — это форма вещества, имеющая относительно однородный химический состав и физические свойства (такие как плотность , теплоемкость , показатель преломления и т. д.). Эти фазы включают в себя три знакомые фазы ( твердые тела , жидкости и газы ), а также более экзотические состояния материи (такие как плазма , сверхтекучие вещества , сверхтвердые тела , конденсаты Бозе-Эйнштейна и т. д.). Жидкость может быть жидкостью , газом или плазмой. Существуют также парамагнитная и ферромагнитная фазы магнетиков . По мере изменения условий материя может переходить из одной фазы в другую. Эти явления называются фазовыми переходами и изучаются в области термодинамики . В наноматериалах значительно увеличенное отношение площади поверхности к объему приводит к образованию материи, которая может проявлять свойства, совершенно отличные от свойств объемного материала, и плохо описывается какой-либо объемной фазой ( см. «Наноматериалы» более подробно ).

Фазы иногда называют состояниями материи , но этот термин может привести к путанице с термодинамическими состояниями . Например, два газа, находящиеся при разном давлении, находятся в разных термодинамических состояниях (разном давлении), но находятся в одной и той же фазе (оба являются газами).

Антиматерия

Основная статья: Антиматерия

Нерешенная задача по физике :

Барионная асимметрия . Почему в наблюдаемой Вселенной гораздо больше материи, чем антиматерии?

(еще нерешенные задачи по физике)

Антивещество – это материя, состоящая из античастиц тех, что составляют обычную материю. Если частица и ее античастица вступают в контакт друг с другом, они аннигилируют ; то есть они оба могут быть преобразованы в другие частицы с одинаковой энергией в соответствии с Альберта Эйнштейна уравнением E = mc. ² . высокой энергии Эти новые частицы могут быть фотонами ( гамма-лучами ) или другими парами частица-античастица. Образовавшиеся частицы наделены количеством кинетической энергии, равной разнице между массой покоя продуктов аннигиляции и массой покоя исходной пары частица-античастица, которая зачастую весьма велика. В зависимости от того, какое определение «материи» принято, можно сказать, что антиматерия представляет собой особый подкласс материи или противоположность материи.

Антивещество в природе не встречается на Земле, за исключением очень кратковременных и исчезающе малых количеств (в результате радиоактивного распада , молний или космических лучей ). Это связано с тем, что антиматерия, которая появилась на Земле за пределами подходящей физической лаборатории, почти мгновенно встретилась бы с обычной материей, из которой состоит Земля, и была бы уничтожена. Античастицы и некоторые стабильные антивещества (например, антиводород ) могут быть созданы в небольших количествах, но их недостаточно, чтобы сделать что-то большее, чем просто проверить некоторые из их теоретических свойств.

существует множество предположений Как в науке , так и в научной фантастике относительно того, почему наблюдаемая Вселенная, по-видимому, почти полностью состоит из материи (в смысле кварков и лептонов, но не антикварков или антилептонов), и являются ли другие места почти полностью антиматерией (антикварками и антилептонами). . Считается, что в ранней Вселенной материя и антиматерия были представлены в равной степени, и исчезновение антиматерии требует асимметрии в физических законах, называемой нарушением симметрии CP (заряд-четность) , которую можно получить из Стандартной модели. но в настоящее время кажущаяся асимметрия материи и антиматерии в видимой Вселенной является одной из величайших нерешённых проблем физики . Возможные процессы, благодаря которым оно возникло, более подробно исследуются в разделе «Бариогенез» .

Формально частицы антивещества можно определить по их отрицательному барионному или лептонному числу , тогда как «нормальные» (не антиматерии) частицы материи имеют положительное барионное или лептонное число. Эти два класса частиц являются античастицами-партнерами друг друга.

В октябре 2017 года учёные сообщили о новых доказательствах того, что материя и антиматерия , в равной степени образовавшиеся при Большом взрыве , идентичны, должны полностью аннигилировать друг друга и, как следствие, Вселенная не должна существовать. Это подразумевает, что должно быть что-то, пока неизвестное ученым, что либо остановило полное взаимное разрушение материи и антиматерии в ранней формирующейся Вселенной, либо привело к дисбалансу между двумя формами.

Сохранение

которые могут определять количество материи в кварк-лептонном смысле (и антиматерии в антикварк-антилептонном смысле), барионное число и лептонное число сохраняются две величины , В Стандартной модели . Барион , такой как протон или нейтрон, имеет барионное число , равное единице, а кварк, поскольку в барионе их три, имеет барионное число 1/3. Таким образом, чистое количество материи, измеренное количеством кварков (минус количество антикварков, каждый из которых имеет барионное число -1/3), которое пропорционально барионному числу, и количеству лептонов (минус антилептоны), которое называется лептонным числом, практически невозможно изменить ни в каком процессе. Даже в ядерной бомбе ни один из барионов (протонов и нейтронов, из которых состоят атомные ядра) не разрушается — после реакции остается столько же барионов, сколько и до реакции, поэтому ни одна из этих частиц вещества фактически не уничтожается и ни одна даже не преобразуется. к нематериальным частицам (например, фотонам света или радиации). Вместо этого ядерный (и, возможно, хромодинамическая) энергия связи высвобождается, поскольку эти барионы связываются в ядра среднего размера, имеющие меньшую энергию (и, что эквивалентно , меньшую массу) на нуклон по сравнению с исходными малыми (водород) и большими (плутоний и т. д.) ядрами. Даже при электрон-позитронной аннигиляции чистая материя не разрушается, потому что до аннигиляции изначально было нулевое чистое вещество (нулевое общее лептонное число и барионное число) - один лептон минус один антилептон равняется нулю чистое лептонное число - и это чистая сумма материи не меняется, поскольку после аннигиляции она просто остается нулевой.

Короче говоря, материя, как ее определяют в физике, относится к барионам и лептонам. Количество материи определяется через барионное и лептонное число. Барионы и лептоны могут быть созданы, но их рождение сопровождается антибарионами или антилептонами; и их можно уничтожить, аннигилировав антибарионами или антилептонами. Поскольку антибарионы/антилептоны имеют отрицательные барионные/лептонные числа, общие барионные/лептонные числа не изменяются, поэтому материя сохраняется. Однако все барионы/лептоны и антибарионы/антилептоны имеют положительную массу, поэтому общее количество массы не сохраняется. Кроме того, за исключением естественных или искусственных ядерных реакций, во Вселенной почти нет общедоступной антиматерии (см. Барионную асимметрию и лептогенез ), поэтому аннигиляция частиц в нормальных обстоятельствах редка.

Темный

Круговая диаграмма, показывающая доли энергии во Вселенной, поступающей из различных источников. Обычное вещество делится на светящееся вещество (звезды и светящиеся газы и 0,005% излучения) и несветящееся вещество (межгалактический газ и около 0,1% нейтрино и 0,04% сверхмассивные черные дыры). Обычная материя встречается редко. Создан по образцу Острайкера и Стейнхардта. Для получения дополнительной информации см. НАСА .

  Темная энергия (73%)

  Темная материя (23%)

  Несветящееся вещество (3,6%)

  Светящееся вещество (0,4%)

Обычная материя в определении кварков и лептонов составляет около 4% энергии наблюдаемой Вселенной . Предполагается, что оставшаяся энергия принадлежит экзотическим формам, из которых 23% составляет темная материя. и 73% — темная энергия .

Кривая вращения галактики Млечного Пути. Вертикальная ось — скорость вращения вокруг центра Галактики. Горизонтальная ось — расстояние от центра галактики. Солнце отмечено желтым шариком. Наблюдаемая кривая скорости вращения имеет синий цвет. Прогнозируемая кривая, основанная на звездной массе и газе в Млечном Пути, имеет красный цвет. Разница связана с темной материей или, возможно, с модификацией закона гравитации . Разброс в наблюдениях обозначен примерно серыми полосами.

Основные статьи: Темная материя , модель Lambda-CDM и вимпы.

См. Также: Формирование и эволюция галактик и Гало темной материи.

В астрофизике и космологии — это материя неизвестного состава , темная материя которая не излучает и не отражает достаточное количество электромагнитного излучения, чтобы его можно было наблюдать напрямую, но о присутствии которой можно судить по гравитационному воздействию на видимую материю. Наблюдательные данные о ранней Вселенной и теория Большого взрыва требуют, чтобы эта материя имела энергию и массу, но не состояла из обычных барионов (протонов и нейтронов). Общепринятое мнение состоит в том, что большая часть темной материи имеет небарионную природу . По сути, он состоит из частиц, которые еще не наблюдались в лаборатории. Возможно, это суперсимметричные частицы , которые не являются частицами Стандартной модели , а являются реликвиями, образовавшимися при очень высоких энергиях на ранней стадии существования Вселенной и все еще плавающими.

Энергия

Основная статья: Темная энергия

Смотрите также: Большой взрыв § Темная энергия

В космологии называют темной энергией источник отталкивающего воздействия, ускоряющего скорость расширения Вселенной . материальные свойства, такие как плотность энергии и давление Его точная природа в настоящее время остается загадкой, хотя его эффекты можно разумно смоделировать, приписав самому вакууму .

Кажется, что 70% плотности материи во Вселенной находится в форме темной энергии. Двадцать шесть процентов — это темная материя. Лишь 4% — это обычное вещество. Таким образом, менее 1 части из 20 состоит из материи, которую мы наблюдали экспериментально или описали в стандартной модели физики элементарных частиц. Об остальных 96%, кроме только что упомянутых свойств, мы не знаем ровным счетом ничего.

- Ли Смолин (2007), Проблемы с физикой , с. 16

Экзотический

Основная статья: Экзотическая материя

Экзотическая материя — это концепция физики элементарных частиц , которая может включать темную материю и темную энергию, но идет дальше и включает любой гипотетический материал, который нарушает одно или несколько свойств известных форм материи. Некоторые такие материалы могут обладать гипотетическими свойствами, такими как отрицательная масса .

Историко-философское исследование

Классическая древность (ок. 600 г. до н.э. – ок. 322 г. до н.э.)

Основная статья: Атомизм

Дополнительная информация: Древнегреческая философия и индийская философия.

В древней Индии буддистская материя , индуистская и джайнская философские традиции утверждали, что состоит из атомов ( параману , пудгала ), которые были «вечными, неразрушимыми, не имеющими частей и бесчисленными» и которые соединялись или разъединялись, образуя более сложную материю согласно законам природы . Они объединили свои представления о душе или ее отсутствии со своей теорией материи. Сильнейшими разработчиками и защитниками этой теории была школа ньяя - вайшешика идеи индийского философа Канады . , наибольшее распространение получили Буддийские философы также разработали эти идеи в конце I тысячелетия нашей эры, идеи, которые были похожи на школу Вайшешика, но не включали в себя ни души, ни совести. Джайнские философы включали душу ( дживу ), добавляя к каждому атому такие качества, как вкус, запах, осязание и цвет. Они расширили идеи, найденные в ранней литературе индуистов и буддистов, добавив, что атомы либо влажные, либо сухие, и это качество цементирует материю. Они также предположили возможность того, что атомы объединяются из-за притяжения противоположностей, и душа прикрепляется к этим атомам, трансформируется с остатком кармы и перевоплощается при каждом перерождении .

В Древней Греции философы -досократики размышляли об основной природе видимого мира. Фалес (ок. 624 г. до н. э. – ок. 546 г. до н. э.) считал воду основным материалом мира. Анаксимандр (ок. 610 г. до н. э. – ок. 546 г. до н. э.) утверждал, что основной материал был совершенно бесхарактерным или безграничным: Бесконечное ( апейрон ). Анаксимен (расцвет 585 г. до н.э., ум. 528 г. до н.э.) утверждал, что основным веществом была пневма или воздух. Гераклит (ок. 535–ок. 475 до н. э.), кажется, говорит, что основным элементом является огонь, хотя, возможно, он имеет в виду, что все есть изменение. Эмпедокл (ок. 490–430 гг. до н. э.) говорил о четырех элементах , из которых все создано: земля, вода, воздух и огонь. Между тем, Парменид утверждал, что изменений не существует, а Демокрит утверждал, что все состоит из крошечных, инертных тел всех форм, называемых атомами, — философия, называемая атомизмом . Все эти понятия имели глубокие философские проблемы.

Аристотель (384–322 гг. до н. э.) был первым, кто положил этой концепции здравую философскую основу, что он и сделал в своей натурфилософии, особенно в по физике . книге I В качестве разумных предположений он принял четыре элемента Эмпедокла , но добавил пятый — эфир . Тем не менее, эти элементы не являются основными в сознании Аристотеля. Скорее они, как и все остальное в видимом мире, состоят из основных принципов материи и формы.

Ибо мое определение материи именно таково: первичный субстрат каждой вещи, из которого она возникает без каких-либо ограничений и которая сохраняется в результате.

- Аристотель, Физика I:9:192a32.

Слово, которое Аристотель использует для обозначения материи, ὕλη ( hyle или hule ) , можно буквально перевести как древесина или древесина, то есть «сырье» для строительства. Действительно, концепция материи Аристотеля неразрывно связана с чем-то созданным или составленным. Другими словами, в отличие от ранней современной концепции материи как просто занимающей пространство, материя для Аристотеля по определению связана с процессом или изменением: материя — это то, что лежит в основе изменения субстанции. Например, лошадь ест траву: лошадь превращает траву в себя; трава как таковая не сохраняется в лошади, но сохраняется какой-то ее аспект — ее материя. Материя конкретно не описывается (например, как атомы ), но состоит из того, что сохраняется при изменении вещества от травы к лошади. Материя в этом понимании не существует самостоятельно (т. е. как субстанция ), а существует взаимозависимо (т. е. как «принцип») с формой и только постольку, поскольку она лежит в основе изменения. Может быть полезно представить себе отношения материи и формы как очень похожие на отношения между частями и целым. Для Аристотеля материя как таковая может получить действительность только из формы; он не обладает никакой активностью или актуальностью сам по себе, подобно тому, как части как таковые существуют только в целом (иначе они были бы независимыми целыми).

Эпоха Просвещения

Основная статья: Философия Просвещения

Французский философ Рене Декарт (1596–1650) создал современную концепцию материи. Он был прежде всего геометром. Вместо того, чтобы, как Аристотель, выводить существование материи из физической реальности изменений, Декарт произвольно постулировал материю как абстрактную математическую субстанцию, занимающую пространство:

Итак, протяженность в длину, ширину и глубину составляет природу телесной субстанции; а мысль составляет природу мыслящей субстанции. А все остальное, приписываемое телу, предполагает протяженность и является лишь модусом протяженной вещи.

- Рене Декарт, Принципы философии.

По Декарту, материя обладает только свойством протяженности, поэтому ее единственная деятельность, помимо передвижения, — это исключение других тел: это механическая философия . Декарт проводит абсолютное различие между разумом, который он определяет как непротяженную мыслящую субстанцию, и материей, которую он определяет как немыслящую, протяженную субстанцию. Это независимые вещи. Напротив, Аристотель определяет материю и формирующий принцип как дополнительные принципы , которые вместе составляют одну независимую вещь ( субстанцию ). Короче говоря, Аристотель определяет материю (грубо говоря) как то, из чего на самом деле состоят вещи (с потенциально независимым существованием), но Декарт возводит материю в реальную независимую вещь саму по себе.

Обращает на себя внимание преемственность и различие концепций Декарта и Аристотеля. В обеих концепциях материя пассивна или инертна. В соответствующих концепциях материя имеет различное отношение к разуму. Для Аристотеля материя и разум (форма) существуют вместе во взаимозависимых отношениях, тогда как для Декарта материя и разум (разум) являются по определению противоположными, независимыми субстанциями .

Оправданием Декарта ограничения присущих материи качеств протяженностью является ее постоянство, но его настоящим критерием является не постоянство (которое в равной степени применимо к цвету и сопротивлению), а его желание использовать геометрию для объяснения всех свойств материала. Подобно Декарту, Гоббс, Бойль и Локк утверждали, что присущие телам свойства ограничиваются протяженностью и что так называемые вторичные качества, такие как цвет, являются лишь продуктами человеческого восприятия.

Английский философ Исаак Ньютон (1643–1727) унаследовал механическую концепцию материи Декарта. В третьей части своих «Правил рассуждения в философии» Ньютон перечисляет универсальные качества материи как «протяженность, твердость, непроницаемость, подвижность и инерция». Точно так же в «Оптике» он предполагает, что Бог создал материю как «твердые, массивные, твердые, непроницаемые, подвижные частицы», которые были «... даже настолько твердыми, что никогда не изнашивались и не ломались на куски». «Первичные» свойства материи поддавались математическому описанию, в отличие от «вторичных» качеств, таких как цвет или вкус. Подобно Декарту, Ньютон отверг сущностную природу вторичных качеств.

Ньютон развил понятие материи Декарта, восстановив внутренние свойства материи в дополнение к протяженности (по крайней мере, на ограниченной основе), такие как масса. Использование Ньютоном гравитационной силы, действующей «на расстоянии», фактически отвергло механику Декарта, в которой взаимодействия происходили исключительно контактным путем.

Хотя гравитация Ньютона могла показаться силой тел, сам Ньютон не признавал ее существенным свойством материи. Развивая эту логику более последовательно, Джозеф Пристли (1733–1804) утверждал, что телесные свойства выходят за рамки контактной механики: химические свойства требуют способности к притяжению. Он утверждал, что материя обладает и другими внутренними силами, помимо так называемых первичных качеств Декарта и др.

19 и 20 века

Со времен Пристли произошло массовое расширение знаний о составляющих материального мира (а именно о молекулах, атомах, субатомных частицах). В 19 веке, после развития таблицы Менделеева и теории атома , атомы рассматривались как фундаментальные составляющие материи; атомы образовывали молекулы и соединения .

Общее определение с точки зрения занятия пространства и наличия массы контрастирует с большинством физических и химических определений материи, которые вместо этого полагаются на ее структуру и атрибуты, не обязательно связанные с объемом и массой. На рубеже XIX века познание материи начало бурную эволюцию.

Некоторые аспекты ньютоновской точки зрения все еще господствовали. Джеймс Клерк Максвелл обсуждал материю в своей работе «Материя и движение» . Он тщательно отделяет «материю» от пространства и времени и определяет ее в терминах объекта, упомянутого в первом законе движения Ньютона .

Однако ньютоновская картина — это еще не все. В XIX веке термин «материя» активно обсуждался множеством ученых и философов, а его краткое описание можно найти у Левера. Обсуждение в учебнике 1870 года предполагает, что материя — это то, что состоит из атомов:

В науке признаются три подразделения материи: массы, молекулы и атомы.
Масса материи — это любая часть материи, ощутимая органами чувств.
Молекула – это мельчайшая частица материи, на которую можно разделить тело, не потеряв при этом своей идентичности.
Атом — еще меньшая частица, образующаяся в результате деления молекулы.

Считалось, что материя не просто обладает атрибутами массы и занимает пространство, а обладает химическими и электрическими свойствами. В 1909 году знаменитый физик Дж. Дж. Томсон (1856–1940) писал о «строении материи» и интересовался возможной связью между материей и электрическим зарядом.

В конце 19 века, с , и открытием электрона в начале 20 века, с в ходе эксперимента Гейгера-Марсдена открытием атомного ядра и зарождением физики элементарных частиц , материя рассматривалась как состоящая из электронов, протонов и нейтронов. взаимодействуя с образованием атомов. Затем возникла целая литература, посвященная «структуре материи», начиная от «электрической структуры» начала 20 века и заканчивая «электрической структурой» начала 20 века. к более поздней «кварковой структуре материи», представленной Джейкобом еще в 1992 году с замечанием: «Понимание кварковой структуры материи стало одним из наиболее важных достижений в современной физике». В связи с этим физики говорят о полях материи , а о частицах говорят как о «квантовых возбуждениях моды поля материи». А вот цитата де Саббаты и Гасперини: «Словом «материя» мы обозначаем в этом контексте источники взаимодействий, то есть спинорные поля (такие как кварки и лептоны ), которые считаются фундаментальными компонентами материи или скалярных полей , таких как частицы Хиггса , которые используются для введения массы в калибровочную теорию (и которая, однако, может состоять из более фундаментальных фермионных полей )».

Однако протоны и нейтроны не являются неделимыми: их можно разделить на кварки . А электроны являются частью семейства частиц, называемого лептонами . И кварки, и лептоны являются элементарными частицами , и в 2004 году авторы студенческих курсов считали их фундаментальными составляющими материи.

Эти кварки и лептоны взаимодействуют посредством четырех фундаментальных сил : гравитации , электромагнетизма , слабых взаимодействий и сильных взаимодействий . Стандартная модель физики элементарных частиц в настоящее время является лучшим объяснением всей физики, но, несмотря на десятилетия усилий, гравитацию пока невозможно объяснить на квантовом уровне; оно описывается только классической физикой (см. квантовую гравитацию и гравитон ) к разочарованию таких теоретиков, как Стивен Хокинг . Взаимодействия между кварками и лептонами являются результатом обмена частицами-переносчиками силы, такими как фотоны, между кварками и лептонами. Частицы, несущие силу, сами по себе не являются строительными блоками. Как следствие, масса и энергия (которые, насколько нам известно, не могут быть созданы или уничтожены) не всегда могут быть связаны с материей (которая может быть создана из нематериальных частиц, таких как фотоны, или даже из чистой энергии, такой как кинетические частицы). энергия). Медиаторы силы обычно не считаются материей: посредники электрической силы (фотоны) обладают энергией (см. соотношение Планка ), а посредники слабого взаимодействия ( бозоны W и Z ) имеют массу, но ни один из них также не считается материей. Однако, хотя эти кванты и не считаются материей, они вносят вклад в общую массу атомов, субатомных частиц и всех систем, которые их содержат.

Краткое содержание

Современная концепция материи много раз уточнялась в истории в свете улучшения знаний о том, что представляют собой основные строительные блоки и как они взаимодействуют. Термин «материя» используется в физике в самых разных контекстах: например, один относится к « физике конденсированного состояния », «элементарная материя», « партонная » материя, « темная » материя, « анти »-материя, « странная » материя и « ядерная » материя. При обсуждении материи и антиматерии называл первую Альфвен материей койноматерией (греч. «общая материя »). Справедливо сказать, что в физике нет широкого консенсуса относительно общего определения материи, и термин «материя» обычно используется в сочетании с уточняющим модификатором.

История концепции материи — это история фундаментальных масштабов длины, используемых для определения материи. В зависимости от того, определяется ли материя на уровне атомов или элементарных частиц, применяются разные строительные блоки. Можно использовать определение, что материя — это атомы, или что материя — это адроны , или что материя — это лептоны и кварки, в зависимости от масштаба, в котором мы хотим определить материю.

Эти кварки и лептоны взаимодействуют посредством четырех фундаментальных сил : гравитации , электромагнетизма , слабых взаимодействий и сильных взаимодействий . Стандартная модель физики элементарных частиц в настоящее время является лучшим объяснением всей физики, но, несмотря на десятилетия усилий, гравитацию пока невозможно объяснить на квантовом уровне; оно описывается только классической физикой (см. квантовую гравитацию и гравитон ).

Смотрите также

Антиматерия

• Амбиплазма
• Антиводород
• Античастица
• Ускоритель частиц

Космология

• Космологическая константа
• Уравнения Фридмана
• Движение
• Физическая онтология

Темная материя

• Аксион
• Минимальная суперсимметричная стандартная модель
• Нейтралино
• Небарионная темная материя
• Скалярное поле темной материи

Философия

• Атомизм
• Материализм
• Физикализм
• Теория вещества

Другой

• Эквивалент массы и энергии
• Материя
• Формирование узора
• Периодические системы малых молекул
• Программируемая материя

дальнейшее чтение

• Лилиан Ходдесон; Майкл Риордан, ред. (1997). Расцвет Стандартной модели . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-57816-5 .
• Тимоти Пол Смит (2004). «Поиски кварков в обычной материи» . Скрытые миры . Издательство Принстонского университета. ISBN  978-0-691-05773-6 .
• Харальд Фрич (2005). Элементарные частицы: строительные блоки материи . Всемирная научная. п. 1 . Bibcode : 2005epbb.book.....F . ISBN  978-981-256-141-1 .
• Бертран Рассел (1992). «Философия материи» . Критическое изложение философии Лейбница (переиздание 1937 г., 2-е изд.). Рутледж. п. 88. ИСБН  978-0-415-08296-9 .
• Стивен Тулмин и Джун Гудфилд, Архитектура материи (Чикаго: University of Chicago Press, 1962).
• Ричард Дж. Коннелл, Материя и становление (Чикаго: The Priory Press, 1966).
• Эрнан Макмаллин , Концепция материи в греческой и средневековой философии (Нотр-Дам, Индиана: Univ. of Notre Dame Press, 1965).
• Эрнан Макмаллин , Концепция материи в современной философии (Нотр-Дам, Индиана: University of Notre Dame Press, 1978).

Внешние ссылки

• Модуль Visionlearning по вопросам
• Материя во Вселенной Сколько материи во Вселенной?
• НАСА о сверхтекучем ядре нейтронной звезды
• Материя и энергия: ложная дихотомия – беседы о науке с физиком-теоретиком Мэттом Страсслером