Материя обычно подразделяется на три классических состояния, а иногда добавляется плазма в качестве четвертого состояния. Сверху вниз: кварц ( твердое тело ), вода ( жидкость ), диоксид азота ( газ ) и плазменный шар ( плазма ). |
В классической физике и общей химии, независимо от того, является любое вещество, которое имеет массу и занимает пространство, имеющее объем. Все повседневные предметы, к которым можно прикоснуться, в конечном итоге состоят из атомов, которые состоят из взаимодействующих субатомных частиц, и в повседневном, а также в научном использовании «материя» обычно включает атомы и все, что из них состоит, а также любые частицы (или комбинации частиц ), которые действуют так, как если бы они имели как массу покоя, так и объем. Однако он не включает безмассовые частицы, такие как фотоны, или другие энергетические явления или волны, такие как свет. 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 в виде ядра из протонов и нейтронов, и окружающий «облако» орбитальных электронов, которые «занимают пространство». Однако это только отчасти правильно, потому что субатомные частицы и их свойства регулируются их квантовой природой, что означает, что они не действуют так, как кажутся повседневные объекты - они могут действовать как волны, а также как частицы, и у них нет четко определенных размеры или позиции. В стандартной модели в физике элементарных частиц, материя не является фундаментальным понятие, так как элементарные составляющие атомов являются квантовыми объектами, которые не имеют врожденный «размера» или « громкость » в любом обычном 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, фактически вынуждены держаться на расстоянии от других частиц в повседневных условиях; это создает свойство материи, которое кажется нам занимающим 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, независимо появилась в Древней Греции и Древней Индии среди буддистов, индуистов и джайнов в 1-м тысячелетии до нашей эры. Древние философы, предложившие теорию частиц, включают Канаду (ок. 6-го века до нашей эры или позже), Левкиппа (~ 490 до н.э.) и Демокрита (~ 470-380 до н.э.).
Не следует путать материю с массой, поскольку в современной физике они не совпадают. Материя - это общий термин, описывающий любую «физическую субстанцию». Напротив, масса - это не вещество, а скорее количественное свойство материи и других веществ или систем; в физике определены различные типы массы, 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 материя имеет «противоположность», называемую антивеществом, но масса не имеет противоположности - насколько известно, не существует такой вещи, как «антимасса» или отрицательная масса, хотя ученые обсуждают эту концепцию. Антивещество имеет такое же (то есть положительное) свойство массы, что и его нормальный аналог материи.
В разных областях науки термин «материя» используется по-разному, а иногда и несовместимо. Некоторые из этих способов основаны на общих исторических смыслах, 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 «материя» может быть определена несколькими способами. Иногда в области физики «материю» просто отождествляют с частицами, которые обладают массой покоя (т. Е. Не могут двигаться со скоростью света), такими как кварки и лептоны. Однако как в физике, так и в химии материя проявляет как волновые, так и частицы- подобные свойства, так называемую дуальность волна-частица.
Определение «материи», основанное на ее физической и химической структуре: материя состоит из атомов. Такую атомную материю также иногда называют обычной материей. Например, молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) относятся к этому определению, потому что они состоят из атомов. Это определение может быть расширено, чтобы включить заряженные атомы и молекулы, чтобы включить плазму (газы ионов) и электролиты (ионные растворы), которые, очевидно, не включены в определение атомов. В качестве альтернативы, можно принять протоны, нейтроны и электроны определение.
Определение «материя» более мелкомасштабной, чем определение атомов и молекул: материя состоит из того, что атомы и молекулы сделаны, имея в виду что - то сделанное 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 материю белого карлика - как правило, 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 дуальность волна-частица. На еще более глубоком уровне протоны и нейтроны состоят из кварков и силовых полей ( глюонов ), связывающих их вместе, что приводит к следующему определению.
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, которое следует этой традиции, может быть сформулировано следующим образом: «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 следует.
Лептоны (самый известный из которых - электрон ) и кварки (из которых состоят барионы, такие как протоны и нейтроны ) объединяются в атомы, которые, в свою очередь, образуют молекулы. Поскольку атомы и молекулы считаются материей, естественно сформулировать определение следующим образом: «Обычная материя - это все, что состоит из тех же вещей, из которых сделаны атомы и молекулы». (Однако обратите внимание, что из этих строительных блоков также можно сделать материю, которая не является атомами или молекулами.) Затем, поскольку электроны являются лептонами, а протоны и нейтроны состоят из кварков, это определение, в свою очередь, приводит к определению материи как являются «кварками и лептонами», которые являются двумя из четырех типов элементарных фермионов (два других - антикварки и антилептоны, которые, как описано ниже, могут считаться антивеществом). 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 обычно не встречаются.)
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, которые опосредуют слабое взаимодействие, не состоят из кварков или лептонов и поэтому не являются обычной материей, даже если они имеют массу. Другими словами, масса - это не только обычная материя.
Кварк-лептонное определение обычной материи, однако, определяет не только элементарные строительные блоки материи, но также включает композиты, состоящие из составных частей (например, атомов и молекул). Такие композиты содержат энергию взаимодействия, которая удерживает вместе составляющие, и может составлять основную массу композита. Например, в значительной степени масса атома - это просто сумма масс составляющих его протонов, нейтронов и электронов. Однако если копнуть глубже, протоны и нейтроны состоят из кварков, связанных вместе глюонными полями (см. Динамику квантовой хромодинамики ), и эти глюонные поля вносят значительный вклад в массу адронов. Другими словами, большая часть того, что составляет «массу» обычного вещества, происходит из-за энергии связи кварков внутри протонов и нейтронов. Например, сумма масс трех кварков в нуклоне приблизительно равна12,5 МэВ / c 2, что мало по сравнению с массой нуклона (примерно938 МэВ / c 2 ). Суть в том, что большая часть массы повседневных предметов происходит за счет энергии взаимодействия его элементарных компонентов.
Стандартная модель группирует частицы материи на три поколения, каждое из которых состоит из двух кварков и двух лептонов. Первое поколение - это верхние и нижние кварки, электрон и электронное нейтрино ; второй включает 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 этого было бы то, что кварки и лептоны более высоких 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 котором антивещество включается как подкласс материи.
Обычное или традиционное определение материи - это «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 за тем, что материя занимает пространство, восходит к древности. Однако объяснение того, почему материя занимает пространство, появилось недавно и считается результатом феномена, описанного в принципе исключения Паули, который применяется к фермионам. Два конкретных примера, в которых принцип исключения четко связывает материю с заселенностью космоса, - это белые карлики и нейтронные звезды, которые будут рассмотрены ниже.
Таким образом, материю можно определить как все, что состоит из элементарных фермионов. Хотя мы не сталкиваемся с ними в повседневной жизни, антикварки (например, антипротон ) и антилептоны (например, позитрон ) являются античастицами кварка и лептона, также являются элементарными фермионами и имеют по существу те же свойства, что и кварки. и лептоны, включая применимость принципа исключения Паули, который, можно сказать, предотвращает нахождение двух частиц в одном и том же месте в одно и то же время (в одном и том же состоянии), то есть заставляет каждую частицу «занимать место». Это конкретное определение приводит к тому, что материя определяется как включающая все, что состоит из этих частиц антивещества, а также обычный кварк и лептон, и, следовательно, также все, что состоит из мезонов, которые являются нестабильными частицами, состоящими из кварка и антикварка.
В контексте теории относительности масса не является аддитивной величиной в том смысле, что нельзя сложить массы покоя частиц в системе, чтобы получить полную массу покоя системы. Таким образом, в теории относительности обычно более общая точка зрения состоит в том, что количество материи определяется не суммой масс покоя, а тензор энергии-импульса. Этот тензор дает массу покоя для всей системы. Поэтому «материю» иногда рассматривают как все, что вносит вклад в энергию-импульс системы, то есть все, что не является чисто гравитацией. Такой 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».
В физике элементарных частиц фермионы - это частицы, которые подчиняются 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 являются массивными частицами из спин - 1 / 2, что означает, что они являются фермионами. Они несут электрический заряд - 1 ⁄ 3 e (кварки нижнего типа) или + 2 ⁄ 3 e (кварки верхнего типа). Для сравнения: у электрона заряд -1 э. Они также несут цветной заряд, который эквивалентен электрическому заряду сильного взаимодействия. Кварки также подвергаются радиоактивному распаду, что означает, что они подвержены слабому взаимодействию.
имя | условное обозначение | вращаться | электрический заряд ( е ) | масса ( МэВ / c 2) | масса сравнима с | античастица | символ античастицы |
---|---|---|---|---|---|---|---|
кварки восходящего типа | |||||||
вверх | ты | 1 ⁄ 2 | + 2 ⁄ 3 | От 1,5 до 3,3 | ~ 5 электронов | Antiup | ты |
очарование | c | 1 ⁄ 2 | + 2 ⁄ 3 | С 1160 по 1340 | ~ 1 протон | антихарм | c |
Топ | т | 1 ⁄ 2 | + 2 ⁄ 3 | От 169 100 до 173 300 | ~ 180 протонов или ~ 1 атом вольфрама | противник | т |
кварки нижнего типа | |||||||
вниз | d | 1 ⁄ 2 | - 1 ⁄ 3 | От 3,5 до 6,0 | ~ 10 электронов | анти-пух | d |
странный | s | 1 ⁄ 2 | - 1 ⁄ 3 | От 70 до 130 | ~ 200 электронов | противозаконный | s |
Нижний | б | 1 ⁄ 2 | - 1 ⁄ 3 | С 4130 по 4370 | ~ 5 протонов | противо дна | б |
Барионы - это сильно взаимодействующие фермионы, поэтому они подчиняются статистике Ферми – Дирака. Среди барионов есть протоны и нейтроны, которые встречаются в атомных ядрах, но существует также много других нестабильных барионов. Термин барион обычно относится к трикваркам - частицам, состоящим из трех кварков. Кроме того, «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 темную энергию, темную материю, черные дыры или различные формы вырожденной материи, такие как белые карлики и нейтронные звезды. СВЧ-свет, наблюдаемый с помощью зонда 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 видимой, потому что свет может достигать нас от нее), создается барионной материи. Около 26,8% составляет темная материя и около 68,3% - темная энергия.
Подавляющее большинство обычного вещества во Вселенной невидимо, поскольку видимые звезды и газ внутри галактик и скоплений составляют менее 10 процентов вклада обычного вещества в плотность массы и энергии Вселенной.
Сравнение белого карлика IK Pegasi B (в центре), его компаньона класса A IK Pegasi A (слева) и Солнца (справа). Этот белый карлик имеет температуру поверхности 35 500 К.Адронная материя может относиться к «обычной» барионной материи, состоящей из адронов (барионов и мезонов ), или кварковой материи (обобщение атомных ядер), то есть «низкотемпературной» материи КХД. Он включает вырожденное вещество и результат столкновений тяжелых ядер высоких энергий.
В физике вырожденная материя относится к основному состоянию газа фермионов при температуре, близкой к абсолютному нулю. Принцип исключения Паули требует, чтобы только два фермиона могли занимать квантовое состояние: один со спином вверх, а другой со спином вниз. Следовательно, при нулевой температуре фермионы заполняют уровни, достаточные для размещения всех доступных фермионов, а в случае большого количества 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 вещества.
Считается, что вырожденная материя возникает в процессе эволюции тяжелых звезд. Демонстрация Субраманяном Чандрасекаром того, что белые карлики имеют максимально допустимую массу из-за принципа исключения, произвела революцию в теории эволюции звезд.
Вырожденная материя включает часть Вселенной, состоящую из нейтронных звезд и белых карликов.
Странная материя - это особая форма кварковой материи, обычно рассматриваемая как жидкость из верхних, нижних и странных кварков. Это контрастирует с ядерной материей, которая представляет собой жидкость из нейтронов и протонов (которые, в свою очередь, состоят из верхних и нижних кварков), и с нестранной кварковой материей, которая представляет собой кварковую жидкость, содержащую только верхние и нижние кварки. Ожидается, что при достаточно высокой плотности странная материя будет цветной сверхпроводящей. Предполагается, что странная материя находится в ядре нейтронных звезд или, что более умозрительно, в виде отдельных капель, размер которых может варьироваться от фемтометров ( странниклетов ) до километров ( кварковые звезды ).
В физике элементарных частиц и астрофизике этот термин используется двумя способами: один более широкий, а другой более конкретный.
Лептоны представляют собой частицы спин - 1 / 2, что означает, что они являются фермионами. Они несут электрический заряд -1 е (заряженные лептоны) или 0 е (нейтрино). В отличие от кварков лептоны не несут цветовой заряд, что означает, что они не испытывают сильного взаимодействия. Лептоны также подвергаются радиоактивному распаду, а это означает, что они подвержены слабому взаимодействию. Лептоны - это массивные частицы, поэтому они подвержены действию гравитации.
имя | условное обозначение | вращаться | электрический заряд ( е ) | масса ( МэВ / c 2) | масса сравнима с | античастица | символ античастицы |
---|---|---|---|---|---|---|---|
заряженные лептоны | |||||||
электрон | е- | 1 ⁄ 2 | −1 | 0,5110 | 1 электрон | антиэлектрон | е+ |
мюон | μ- | 1 ⁄ 2 | −1 | 105,7 | ~ 200 электронов | антимюон | μ+ |
тау | τ- | 1 ⁄ 2 | −1 | 1,777 | ~ 2 протона | антитау | τ+ |
нейтрино | |||||||
электронное нейтрино | ν е | 1 ⁄ 2 | 0 | lt;0,000460 | lt; 1 / 1000 электронов | электронный антинейтрино | ν е |
мюонное нейтрино | ν μ | 1 ⁄ 2 | 0 | lt;0,19 | lt; 1 ⁄ 2 электрона | мюонный антинейтрино | ν μ |
тау-нейтрино | ν τ | 1 ⁄ 2 | 0 | lt;18,2 | lt;40 электронов | тау-антинейтрино | ν τ |
В массе вещество может существовать в нескольких различных формах или агрегатных состояниях, известных как фазы, в зависимости от давления, температуры и объема окружающей среды. Фаза - это форма вещества, которая имеет относительно однородный химический состав и физические свойства (такие как плотность, удельная теплоемкость, показатель преломления и т. Д.). Эти фазы включают в себя три знакомые ( твердые, жидкостей и газов ), а также более экзотические состояния вещества (например, плазмы, сверхтекучести, суперсолида, Бозе-Эйнштейна,...). Жидкость может представлять собой жидкость, газ или плазму. Также существуют парамагнитные и ферромагнитные фазы магнитных материалов. 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 тому, что материя может проявлять свойства, полностью отличные от свойств объемного материала, и плохо описывается какой-либо объемной фазой (см. Более подробную информацию о наноматериалах ).
Фазы иногда называют состояниями материи, но этот термин может привести к путанице с термодинамическими состояниями. Например, два газа, поддерживаемые при разных давлениях, находятся в разных термодинамических состояниях (разные давления), но в одной и той же фазе (оба являются газами).
Барионная асимметрия. Почему в наблюдаемой Вселенной гораздо больше материи, чем антивещества?
(больше нерешенных задач по физике)Антивещество - это материя, состоящая из античастиц, составляющих 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 Альбертом Эйнштейн «с уравнением Е = тс 2. Эти новые частицы могут быть фотонами высокой энергии ( гамма-лучи ) или другими парами частица-античастица. Полученные частицы наделены кинетической энергией, равной разнице между массой покоя продуктов аннигиляции и массой покоя исходной пары частица-античастица, которая часто бывает довольно большой. В зависимости от того, какое определение «материи» принято, антивещество можно назвать особым подклассом материи или противоположностью материи.
В природе антивещество 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 антивещество, появившееся на Земле за пределами подходящей физической лаборатории, почти мгновенно встретит обычную материю, из которой состоит Земля, и аннигилирует. Античастицы и некоторое стабильное антивещество (например, антиводород ) можно производить в крошечных количествах, но не в достаточном количестве, чтобы сделать больше, чем проверить некоторые из его теоретических свойств.
Как в науке, так и в научной фантастике существует множество предположений о том, почему наблюдаемая Вселенная, по-видимому, почти полностью состоит из материи (в смысле кварков и лептонов, но не антикварков или антилептонов), и не являются ли другие места почти полностью антивеществом (антикварки и антилептоны).. В ранней Вселенной считается, что материя и антивещество были представлены одинаково, и исчезновение антивещества требует асимметрии в физических законах, называемой нарушением симметрии CP (зарядовой четности), которую можно получить из Стандартной модели, но в настоящее время кажущаяся асимметрия вещества и антивещества в видимой Вселенной - одна из больших нерешенных проблем физики. Возможные процессы, с помощью которых он возник, более подробно исследуются в разделе бариогенез.
Формально частицы антивещества можно определить по их отрицательному барионному числу или лептонному числу, в то время как «нормальные» (не антивещественные) частицы вещества имеют положительное барионное или лептонное число. Эти два класса частиц являются античастичными партнерами друг друга.
В октябре 2017 года ученые сообщили о новых доказательствах того, что материя и антивещество, в равной степени произведенные при Большом взрыве, идентичны, должны полностью уничтожить друг друга, и в результате Вселенная не должна существовать. Это означает, что должно быть что-то, еще неизвестное ученым, что либо остановило полное взаимное разрушение материи и антивещества в ранней формирующейся Вселенной, либо вызвало дисбаланс между двумя формами.
Две величины, которые могут определять количество вещества в кварк-лептонном смысле (и антивещество в антикварк-антилептонном смысле), барионное число и лептонное число, сохраняются в Стандартной модели. Барионы, такие как протон или нейтрон имеют барионный количество одного и кварк, потому что есть три в барионе, даются барионный число 1/3. Итак, чистое количество вещества, измеряемое 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 материи на самом деле не разрушается и ни одна из них даже не превращается. к нематериальным частицам (например, фотонам света или излучения). Вместо этого высвобождается ядерная (и, возможно, хромодинамическая) энергия связи, 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.).) ядер. Даже при электрон-позитронной аннигиляции чистая материя не разрушается, потому что чистая материя была нулевой (нулевое общее лептонное число и барионное число) в начале до аннигиляции - один лептон минус один антилептон равняется нулю чистому лептонному числу - и это чистая сумма материи не меняется, так как она просто остается нулевой после аннигиляции.
Короче говоря, материя, как ее определяют в физике, относится к барионам и лептонам. Количество вещества определяется с помощью барионного и лептонного числа. Барионы и лептоны могут быть созданы, но их создание сопровождается антибарионами или антилептонами; и они могут быть уничтожены, аннигилируя их антибарионами или антилептонами. Поскольку антибарионы / антилептоны имеют отрицательные барионные / лептонные числа, общие барионные / лептонные числа не меняются, поэтому материя сохраняется. Однако все барионы / лептоны и антибарионы / антилептоны имеют положительную массу, поэтому общее количество массы не сохраняется. Кроме того, помимо естественных или искусственных ядерных реакций, во Вселенной практически нет антивещества (см. Барионную асимметрию и лептогенез ), поэтому аннигиляция частиц в нормальных условиях происходит редко.
Круговая диаграмма, показывающая доли энергии во Вселенной, вносимые различными источниками. Обычное вещество делится на светящееся (звезды и светящиеся газы и 0,005% излучения) и несветящееся вещество (межгалактический газ и около 0,1% нейтрино и 0,04% сверхмассивных черных дыр). Обычное дело - редкость. Создан по образцу Острикера 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 в наблюдаемой Вселенной. Оставшаяся энергия предположительно связана с экзотическими формами, из которых 23% составляет темная материя и 73% - темная энергия.
Кривая вращения галактики Млечный Путь. Вертикальная ось - это скорость вращения вокруг центра Галактики. По горизонтальной оси отложено расстояние от центра Галактики. Солнце отмечено желтым шаром. Наблюдаемая кривая скорости вращения синего цвета. Предсказанная кривая, основанная на звездной массе и газе в Млечном Пути, имеет красный цвет. Разница связана с темной материей или, возможно, с изменением закона всемирного тяготения. Разброс наблюдений показан примерно серыми полосами. Основные статьи: Темная материя, модель Lambda-CDM и WIMP Смотрите также: формирование и развитие Галактики и гало темной материиВ астрофизике и космологии, темная материя есть материя неизвестного состава, который не испускать или отражать достаточно электромагнитное излучение, чтобы наблюдать непосредственно, но присутствие которых может быть выведено из гравитационных эффектов на видимой материи. Наблюдательные доказательства ранней Вселенной и теории Большого взрыва требуют, чтобы эта материя имела энергию и массу, но не состояла из обычных барионов (протонов и нейтронов). Принято считать, что большая часть темной материи небарионная по своей природе. Таким образом, он состоит из частиц, которые еще не наблюдались в лаборатории. Возможно, это суперсимметричные частицы, которые не являются частицами Стандартной модели, а являются реликтами, образовавшимися при очень высоких энергиях на ранней стадии Вселенной и все еще плавающими.
В космологии, темная энергия этого имя, данное к источнику отталкивающего влияния, которое ускоряется скорость расширения Вселенной. Его точная природа в настоящее время остается загадкой, хотя его эффекты можно разумно смоделировать, приписывая материи-подобные свойства, такие как плотность энергии и давление, самому вакууму.
Полностью 70% плотности материи во Вселенной, по-видимому, находится в форме темной энергии. Двадцать шесть процентов - это темная материя. Только 4% - обычное дело. Таким образом, менее 1 части из 20 состоит из материи, которую мы наблюдали экспериментально или описывали в стандартной модели физики элементарных частиц. Об остальных 96%, кроме только что упомянутых свойств, мы абсолютно ничего не знаем.
- Ли Смолин (2007), Проблема с физикой, стр. 16Экзотическая 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.
В древней Индии буддисты, индуисты и джайны разработали частичную теорию материи, утверждая, что вся материя состоит из атомов ( параману, пудгала), которые сами по себе являются «вечными, неразрушимыми и бесчисленными» и которые связываются и разделяются в соответствии с к определенным фундаментальным законам природы, чтобы образовывать более сложную материю или изменяться с течением времени. Они соединили свои представления о душе или ее отсутствии со своей теорией материи. Самыми сильными разработчиками и защитниками этой теории была школа Ньяя- Вайшешика, наиболее распространенной из которых были идеи философа Канады (ок. VI в. До н. Э.). Буддисты также развили эти идеи в конце 1-го тысячелетия до нашей эры, идеи, которые были похожи на индуистскую школу вайшашика, но не включали ни души, ни совести. Джайны включали душу ( дживу), добавляя такие качества, как вкус, запах, прикосновение и цвет к каждому атому. Они расширили идеи, найденные в ранней литературе индуистов и буддистов, добавив, что атомы либо влажные, либо сухие, и это качество цементирует материю. Они также предложили возможность объединения атомов из-за притяжения противоположностей, и душа присоединяется к этим атомам, трансформируется с остатком кармы и переселяется с каждым новым рождением.
В Европе, Досократики предположили, основной характер 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 полностью бесхарактерным или безграничным: Бесконечное ( апейрон ). Анаксимен (процветал в 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 меняется. Эмпедокл (ок. 490–430 до н. Э.) Говорил о четырех элементах, из которых все было сделано: 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. У всех этих представлений были глубокие философские проблемы.
Аристотель (384–322 до н.э.) был первым, кто поставил эту концепцию на прочную философскую основу, что он и сделал в своей натурфилософии, особенно в книге I по физике. Он принял в качестве разумных предположений четыре элемента Эмпедокла, но добавил пятый, эфир.. Тем не менее, эти элементы не являются основными для Аристотеля. Скорее они, как и все остальное в видимом мире, состоят из основных принципов материи и формы.
Ибо мое определение материи таково: первичный субстрат каждой вещи, из которого она возникает без каких-либо ограничений и сохраняется в результате.
- Аристотель, Физика I: 9: 192a32Слово, которое Аристотель использует для обозначения материи, ὕλη ( hyle или hule), можно буквально перевести как дерево или древесина, то есть «сырье» для строительства. В самом деле, аристотелевская концепция материи 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 некий ее аспект - ее материя - остается. Материя конкретно не описывается (например, как атомы ), но состоит из того, что сохраняется при переходе вещества от травы к лошади. Материя в этом понимании не существует независимо (т. Е. Как субстанция ), но 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 очень похожими на отношения между частями и целым. Для Аристотеля материя как таковая может получить действительность только из формы; он не имеет активности или актуальности сам по себе, подобно тому, как части как таковые существуют только в целом (иначе они были бы независимыми целыми).
Рене Декарт (1596–1650) положил начало современной концепции материи. В первую очередь он был геометром. Вместо того, чтобы, подобно Аристотелю, 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, относящееся к телу, предполагает расширение, и это только способ расширения.
- Рене Декарт, Принципы философииДля Декарта материя обладает только свойством протяженности, поэтому ее единственная деятельность, помимо движения, - исключать другие тела: это механическая философия. Декарт проводит абсолютное различие между разумом, который он определяет как непротяженную мыслящую субстанцию, и материей, которую он определяет как бездумную, протяженную субстанцию. Это независимые вещи. Напротив, Аристотель определяет материю и формальный / 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 сделаны вещи (с потенциально независимым существованием), но Декарт возвышает материю до фактической независимой вещи сама по себе.
Следует отметить преемственность и различие между концепциями Декарта и Аристотеля. В обеих концепциях материя пассивна или инертна. В соответствующих концепциях материя по-разному относится к разуму. Для Аристотеля материя и разум (форма) существуют вместе во взаимозависимых отношениях, тогда как для Декарта материя и разум (разум) по определению являются противоположными, независимыми субстанциями.
Декарт оправдывает ограничение присущих материи свойств протяженности ее постоянством, но его реальный критерий - 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 внутренние свойства тел ограничены протяженностью и что так называемые вторичные качества, такие как цвет, являются только продуктами человеческого восприятия.
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 инерцию». Точно так же в « Оптике» он предполагает, что Бог создал материю как «твердые, массивные, твердые, непроницаемые, подвижные частицы», которые были «... настолько твердыми, что никогда не изнашивались и не ломались на куски». «Первичные» свойства материи поддаются математическому описанию, в отличие от «вторичных» качеств, таких как цвет или вкус. Подобно Декарту, Ньютон отвергал сущность вторичных качеств.
Ньютон развил представление Декарта о материи, вернув материи внутренние свойства в дополнение к протяженности (по крайней мере, на ограниченной основе), такие как масса. Использование Ньютоном силы тяжести, которая действовала «на расстоянии», фактически отвергло механику Декарта, в которой взаимодействия происходили исключительно посредством контакта.
Хотя гравитация Ньютона могла бы показаться силой тел, сам Ньютон не признавал ее существенным свойством материи. Развивая логику более последовательно, Джозеф Пристли (1733–1804) утверждал, что телесные свойства выходят за рамки контактной механики: химические свойства требуют способности притяжения. Он утверждал, что материя обладает и другими внутренними силами помимо так называемых первичных качеств Декарта и др.
Со времен Пристли произошло резкое расширение знаний о составляющих материального мира (а именно, молекулах, атомах, субатомных частицах). В 19 веке, после развития периодической таблицы и теории атома, атомы рассматривались как фундаментальные составляющие материи; атомы образовывали молекулы и соединения.
Общее определение с точки зрения занимающего пространство и наличия массы контрастирует с большинством физических и химических определений материи, которые вместо этого полагаются на ее структуру и на атрибуты, не обязательно связанные с объемом и массой. На рубеже девятнадцатого века знания о материи начали бурную эволюцию.
Аспекты ньютоновского воззрения по-прежнему преобладали. 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 картина Ньютона - это еще не все. В XIX веке термин «материя» активно обсуждался множеством ученых и философов, и краткое изложение можно найти у Левера. Обсуждение в учебнике 1870 года предполагает, что материя состоит из атомов:
В науке признаются три подразделения материи: массы, молекулы и атомы. Масса материи - это любая порция материи, ощутимая чувствами. Молекула - это мельчайшая частица материи, на которую можно разделить тело, не теряя своей идентичности. Атом - это еще меньшая частица, полученная при делении молекулы.
Считалось, что материя не просто обладает массой и пространством, а обладает химическими и электрическими свойствами. В 1909 году известный физик Дж. Дж. Томсон (1856–1940) писал о «строении материи» и интересовался возможной связью между материей и электрическим зарядом.
В конце 19 - го века с открытием этого электрона, а в начале 20 - го века, с экспериментом Гейгера-Марсдена открытие атомного ядра, и рождение физики элементарных частиц, материя рассматривалась как из электронов, протонов и нейтронов взаимодействуют с образованием атомов. Затем была разработана целая литература, посвященная «структуре материи», от «электрической структуры» в начале 20 века до более поздней «кварковой структуры материи», представленной еще в 1992 году Джейкобом с замечанием: « Понимание кварковой структуры материи было одним из важнейших достижений современной физики ». В связи с этим физики говорят о полях материи и говорят о частицах как о «квантовых возбуждениях моды поля материи». А вот цитата де Саббата и Гасперини: «Под словом« материя »мы в данном контексте обозначаем источники взаимодействий, то есть спинорные поля (например, кварки и лептоны ), которые считаются фундаментальными компонентами. материи или скалярных полей, таких как частицы Хиггса, которые используются для введения массы в калибровочной теории (и которые, однако, могут состоять из более фундаментальных фермионных полей ) ».
Однако протоны и нейтроны не неделимы: их можно разделить на кварки. А электроны являются частью семейства частиц, называемых лептонами. И кварки, и лептоны являются элементарными частицами и в 2004 году рассматривались авторами учебного курса как фундаментальные составляющие 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 многолетние усилия, гравитация может не учитываться на квантовом уровне; он описывается только классической физикой (см. квантовую гравитацию и гравитон ) к разочарованию теоретиков, таких как Стивен Хокинг. Взаимодействия между кварками и лептонами являются результатом обмена частицами, несущими силу, 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 кинетическая энергия). энергия). Силовые медиаторы обычно не считаются материей: медиаторы электрической силы (фотоны) обладают энергией (см. Соотношение Планка ), а медиаторы слабой силы ( W- и Z-бозоны ) имеют массу, но ни один из них не считается материей. Однако, хотя эти кванты не считаются материей, они вносят вклад в общую массу атомов, субатомных частиц и всех систем, которые их содержат.
Современная концепция материи многократно 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 », «элементарной материи», « партонной » материи, « темной » материи, « антиматерии » и т. Д. странная «материя» и « ядерная » материя. При обсуждении вопроса и антивещества, бывший был передан по Альвеновские в koinomatter (Gk. Общее дело). Справедливо сказать, что в физике нет широкого консенсуса относительно общего определения материи, и термин «материя» обычно используется в сочетании с определяющим модификатором.
История концепции материи - это история фундаментальных масштабов длины, используемых для определения материи. Различные строительные блоки применяются в зависимости от того, определяется ли материя на уровне атомных или элементарных частиц. 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 желают 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 многолетние усилия, гравитация может не учитываться на квантовом уровне; это описывается только классической физикой (см. квантовую гравитацию и гравитон ).
Антивещество Космология | Темная материя
Философия | Другой |