Материя (физика)

Материал из Циклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
← другие значения

Материя, в классической физике и общей химии — субстанция, которая имеет массу и занимает пространство за счет объёма[1].

Обычно определяется в отличие от духа.

Общая информация[править]

Все повседневные предметы, к которым можно прикоснуться, в конечном итоге состоят из атомов, которые состоят из взаимодействующих субатомных частиц, и в повседневном, а также научном использовании «материя» обычно включает в себя атомы и всё, 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 она не включает безмассовые частицы, такие как фотоны, или другие энергетические явления или волны, такие как свет.[1][2] 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.[3]

Обычно атомы можно представить как ядра протонов и нейтронов и окружающее «облако» вращающихся 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 определенного размеры или позиции. В Стандартной модели физики элементарных частиц материя не является фундаментальным понятием, потому что элементарные составляющие атомов являются квантовыми объектами, которым не присущ «размер» или «объем» 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, 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.

Сравнение с массой[править]

Не следует путать материю с массой, поскольку в современной физике они не совпадают.[4] 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, обладающими массой покоя (то есть которые не могут двигаться со скоростью света), такими как кварки и лептоны. Однако как в физике, так и в химии материя проявляет свойства как волны, так и частицы, так называемый дуализм волна-частица.[5][6][7]

Определение[править]

На основе атомов[править]

Определение «материи», основанное на ее физической и химической структуре, таково: материя состоит из атомов.[8] 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 определение протонов, нейтронов и электронов.

На основе протонов, нейтронов и электронов[править]

Определение «материи» более мелкое, чем определение атомов и молекул: материя состоит из того, из чего состоят атомы и молекулы, что означает всё, что состоит из положительно заряженных протонов, нейтральных нейтронов и отрицательно заряженных электронов.[9] 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.

На основе кварков и лептонов[править]

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».[10][11][12] 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 представляющую собой «кварки и лептоны», которые являются двумя из четырех типов элементарных фермионов (два других — антикварки и антилептоны, которые можно рассматривать как антивещество, как описано ниже). Каритерс и Граннис утверждают: «Обычная материя полностью состоит из частиц первого поколения, а именно [верхних] и [нижних] кварков, а также электрона и его нейтрино»[11] (частицы более высоких поколений быстро распадаются на частицы первого поколения, и поэтому обычно не встречаются)[13].

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[14]. 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[15]. 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, и эти глюонные поля вносят значительный вклад в массу адронов.[16] Другими словами, большая часть того, что составляет «массу» обычного вещества, происходит из-за энергии связи кварков внутри протонов и нейтронов.[17] Например, сумма масс трех кварков в нуклоне составляет приблизительно 12,5 МэВ/c2, что мало по сравнению с массой нуклона (приблизительно 938 МэВ/c2).[18][19] 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 очарованные и странные кварки, мюон и мюонное нейтрино; третье поколение состоит из верхних и нижних кварков, а также тау- и тау-нейтрино.[20] 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.[21]

Это кварк-лептонное определение материи также приводит к тому, что можно описать как «законы сохранения (чистой) материи». В качестве альтернативы можно вернуться к концепции материи масса-объем-пространство, что приведет к определению, в котором антивещество включается в качестве подкласса материи.

На основе элементарных фермионов (масса, объем и пространство)[править]

Обычное или традиционное определение материи — это «все, что имеет массу и объем (занимает пространство)»[22][23]. 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 явления, описанного в принципе исключения Паули[24][25], 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 всё, что состоит из элементарных фермионов. Хотя мы не встречаем их в повседневной жизни, антикварки (например, антипротон) и антилептоны (например, позитрон) являются античастицами кварка и лептона, также являются элементарными фермионами и имеют практически 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.

Источники[править]

  1. ↑ 1,0 1,1 The mass of the classical vacuum // The Philosophy of Vacuum. — Oxford University Press. — P. 21–26. — ISBN 978-0-19-824449-3.
  2. ↑ "Matter (physics)", McGraw-Hill's Access Science: Encyclopedia of Science and Technology Online, <http://www.accessscience.com/abstract.aspx?id=410600&referURL=http%3a%2f%2fwww.accessscience.com%2fcontent.aspx%3fid%3d410600>. Проверено 24 мая 2009. 
  3. ↑ Шаблон:Cite press
  4. ↑ Nanotechnology 101. — Greenwood Publishing. — ISBN 978-0-313-33880-9.
  5. ↑ The Forces of Nature. — Cambridge University Press. — ISBN 978-0-521-22523-6.
  6. ↑ The Quantum Theory of Fields. — Cambridge University Press. — ISBN 978-0-521-55002-4.
  7. ↑ Path Integral Quantization and Stochastic Quantization. — Springer. — ISBN 978-3-540-87850-6.
  8. ↑ Divisions of matter // A text-book of elementary chemistry: theoretical and inorganic. — John F Morton & Co.. — ISBN 978-1-4460-2206-1.
  9. ↑ Understanding the Properties of Matter. — 2nd. — CRC Press. — ISBN 978-0-415-25788-6.
  10. ↑ Part I: Analysis: The building blocks of matter // Particles and Nuclei: An Introduction to the Physical Concepts. — 4th. — Springer. — ISBN 978-3-540-20168-7.
  11. ↑ 11,0 11,1 (1995) «Discovery of the Top Quark». Beam Line 25 (3): 4–16.
  12. ↑ Tsan, Ung Chan (2006). «What Is a Matter Particle?». International Journal of Modern Physics E 15 (1): 259–272. DOI:10.1142/S0218301306003916. Bibcode: 2006IJMPE..15..259C. “"(From Abstract:)«Положительные барионные числа (A> 0) и положительные лептонные числа (L> 0) характеризуют частицы материи, в то время как отрицательные барионные числа и отрицательные лептонные числа характеризуют частицы антивещества. Частицы материи и частицы антивещества относятся к двум различным классам частиц. Нейтральные частицы материи — это частицы, характеризующиеся как нулевым барионным числом, так и нулевым лептонным числом. Этот третий класс частиц включает мезоны, образованные парой кварка и антикварка (пара частиц материи и частицы антивещества), и бозоны, которые являются посланниками известных взаимодействий (фотоны для электромагнетизма, W- и Z-бозоны для слабого взаимодействия, глюоны для сильного взаимодействия). Античастица частицы материи принадлежит к классу частиц антивещества, античастица частицы антивещества принадлежит к классу частиц материи».”
  13. ↑ High PT physics at hadron colliders. — Cambridge University Press. — ISBN 978-0-521-83509-1.
  14. ↑ The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next. — Mariner Books. — ISBN 978-0-618-91868-3.
  15. ↑ The W boson mass is 80.398 GeV; see Figure 1 in C. Amsler (2008). «Review of Particle Physics: The Mass and Width of the W Boson». Physics Letters B 667 (1). DOI:10.1016/j.physletb.2008.07.018. Bibcode: 2008PhLB..667....1A.
  16. ↑ Gauge Theories in Particle Physics. — CRC Press. — ISBN 978-0-7503-0864-9.
  17. ↑ Particles and Nuclei: An Introduction to the Physical Concepts. — Springer. — ISBN 978-3-540-20168-7.
  18. ↑ Hadronic Physics from Lattice QCD. — World Scientific. — ISBN 978-981-256-022-3.
  19. ↑ Quark–gluon plasma and QCD // Condensed matter theories / H. Akai. — Nova Publishers. — Т. 21. — ISBN 978-1-60021-501-8.
  20. ↑ Origins of the Third Generation of Matter // The Evidence for the Top Quark. — Cambridge University Press. — ISBN 978-0-521-82710-2.
  21. ↑ The Particle Hunters. — 2nd. — Cambridge University Press. — ISBN 978-0-521-47686-7.
  22. ↑ What is Matter?. — Lerner Publications. — ISBN 978-0-8225-5131-7.
  23. ↑ Chemistry: An Industry-based Introduction with CD-ROM. — CRC Press. — ISBN 978-1-56670-303-1.
  24. ↑ The Quantum Revolution: A Historical Perspective. — Greenwood Publishing Group. — ISBN 978-0-313-33448-1.
  25. ↑ Constitutions of Matter: Mathematically Modeling the Most Everyday of Physical Phenomena. — University of Chicago Press. — ISBN 978-0-226-45305-7.
Источник — http://cyclowiki.org/w/index.php?title=Материя_(физика)&oldid=1536127