Физическая материя

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
(перенаправлено с «Материя (физика)»)
Перейти к: навигация, поиск

Эта статья о концепции физической науки. Для другого использования, см. Материя (значения).

Материя
USDA Mineral Quartz Crystal 93c3951 +.jpg
Drop closeup.jpg
NO2-N2O4.jpg
Plasma-lamp 2.jpg
Материя, как правило, подразделяются на три вида классических состояний, к плазменному иногда добавляется четвертое состояние. Сверху вниз: кварц (твердое), вода (жидкость), диоксид азота (газообразное) и плазма (plasma globe — плазменная Лампа (также называемый плазменный шар, купола, сферы, трубки или шар, в зависимости от формы) — это (обычно) ясный стеклянный шар, наполненный смесью из различных благородных газов высоковольтного электрода в центре сферы.) (плазменное).

Мате́рия (от лат. māteria «вещество») — объективная реальность, содержимое пространства, одна из основных категорий науки и философии, объект изучения физики.

Физика описывает материю как явление, существующее в пространстве и во временипространстве-времени) — представление, идущее от Ньютона (пространство — вместилище вещей, время — событий); либо как нечто, само задающее свойства пространства и времени — представление, идущее от Лейбница и, в дальнейшем, нашедшее выражение в общей теории относительности Эйнштейна. Изменения во времени, происходящие с различными формами материи, составляют физические явления. Основной задачей физики является описание свойств тех или иных видов материи и её взаимодействия.

До 20-го века, термин материя включает обычное вещество, состоящее из атомов, где исключены другие энергетические явления, такие как свет или звук. Эта концепция материи может быть обобщена на основе атомов, может включать любые объекты, имеющие массу даже в состоянии покоя, но это плохое определение, поскольку объект, масса могут возникнуть в результате их (возможно, безмассовая) трехсторонних участников движения и взаимодействия энергий. Таким образом, вопрос не имеет универсального определения, не является фундаментальным понятием в физике сегодня. Материя также применяется в широком смысле как общий термин, обозначающий вещество, которое делает все наблюдаемые физические объекты.[1],[2]

Все объекты из повседневной жизни, с которыми мы можем столкнуться, сенсорно (датчик) или можем сжать состоят из атомов. Эта атомарная материя, в свою очередь, состоит из взаимодействия субатомных частиц — обычно из ядра, протонов и нейтронов, и облака орбитальных электронов.[3],[4] Как правило, наука рассматривает эти составные частицы материи, потому что они оба имеют массы покоя и объем. Напротив, безмассовые частицы, такие как фотоны, не рассматривются как материя, поскольку они не имеют ни массы покоя, ни объема. Однако, не все частицы с массой покоя имеют классический объем, начиная с элементарных частиц, таких как кварки и лептоны (иногда отождествляется с материей) считаются "точечными частицами" с не эффективным размером или объемом. Тем не менее, кварки и лептоны вместе составляют "обычную материю", и их взаимодействие способствует созданию эффективного объема композитных частиц, из которых состоит обычное вещество. Материя обычно не существует в четырех состояниях (или фазах): твердого, жидкого и газообразного и плазмы. Однако, авансы экспериментальной методики показали и другие ранее теоретические этапы, таких как Бозе-Эйнштейна конденсаты и фермионного конденсата. Сосредоточиться на элементарных частицах как вид материи также приводит к появлению новых состояний (фаз) вещества, таких как кварк-глюонной плазмы.[5][5] Для большей части истории естественных наук люди лицезрели точную природу материи. Идея, что материя построена из дискретных блоков, так называемых теории частиц материи впервые была выдвинута греческим философом Лисиппом (~490 до н.э.) и Демокритом (~470-380 до н.э.).[6]

Вопрос не следует путать с массой, как два состояния не совсем же приемлимы в современной физике.[7] Например, масса — это количество сохраняемых систем, что означает, что её значение не изменяется с течением времени в пределах закрытых систем. Однако материя не сохраняется в таких системах, хотя это и не очевидно, в обычных условиях на Земле, в которых вещество находится примерно сохранённым. По-прежнему, специальная теория относительности показывает, что материя может исчезнуть путем преобразования в энергию, даже внутри замкнутых систем, а также может быть создан из энергии, в рамках таких систем. Однако, поскольку масса (как и энергия) не может быть ни создана, ни уничтожена и количество массы и количество энергии, остаются неизменными во время трансформации материи (которая представляет собой определенное количество энергии) в нематериальной (то есть, не имеет значения) энергии. Это также верно и в обратном преобразовании энергии в материю.

В различных областях науки используется термин материя в разных, иногда несовместимых состояний. Некоторые из этих способов использования основаны на рыхлых исторических смыслах, времени, когда не было никаких оснований для различения массы и материи. Как таковой, не существует единого общепризнанного научного значения слова "материя". Научно, термин "масса" не является четко определенным, которой "материя" не является. Иногда в области физики "материя" - просто отождествляется с частицами, которые обладают массой покоя (то есть, что не может существовать со скоростью света), такиvb как кварки и лептоны. Однако, как в физике и химии материя существует со свойствами волн и частиц, и называется как волна-частица.[8],[9],[10]

Основные виды материи[править]

Поле, в отличие от вещества, не имеет внутренних пустот, обладает абсолютной плотностью.

  • Квантовые поля различной природы. Согласно современным представлениям квантовое поле является универсальной формой материи, к которой могут быть сведены как вещества, так и классические поля

Материальные объекты неясной физической природы

Эти объекты были введены в научный обиход для объяснения ряда астрофизических и космологических явлений.

Вещество[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Вещество
Мезон Мезон Барион Нуклон Кварк Лептон Электрон Адрон Атом Молекула Фотон W- и Z-бозоны Глюон Гравитон Электромагнитное взаимодействие Слабое взаимодействие Сильное взаимодействие Гравитация Квантовая электродинамика Квантовая хромодинамика Квантовая гравитация Электрослабое взаимодействие Теория великого объединения Теория всего Элементарные частицы (физика) Материя (физика) Бозон Хиггса
Краткий обзор различных семейств элементарных частиц и составных частиц, и теории, описывающие их взаимодействия. Фермионы — слева, бозоны — справа. (пункты на картинке кликабельны)

Классическое вещество может находиться в одном из нескольких агрегатных состояний: газообразном, жидком, твёрдом кристаллическом, твердом аморфном или в виде жидкого кристалла. Кроме того, выделяют высокоионизованное состояние вещества (чаще газообразного, но, в широком смысле, любого агрегатного состояния), называемое плазмой. Известны также состояния вещества, называемые конденсат Бозе — Эйнштейна и кварк-глюонная плазма.

Определение массы[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Масса
Возможные 4-импульса тел с нулевой и положительной массой покоя. Векторы 4-импульса, построенные от точки пересечения осей до любой точки на зелёной гиперболе, имеют одну и ту же (положительную) длину, то есть массу частицы, несущей этот четырёхимпульс, и различаются энергией и 4-скоростью частицы. Ускорение частицы сводится к движению конца 4-импульса по гиперболе. Векторы четырёхимпульса, построенные от точки пересечения осей до любой точки на синих полупрямых, имеют нулевую длину и могут относиться только к частицам нулевой массы (например, фотонам). Энергия этих частиц (с точностью до коэффициента c) равна модулю их 3-импульса.

В современной физике понятие «количество вещества» имеет другой смысл, а масса тесно связана с понятиями «энергия» и «импульс» (по современным представлениям — масса эквивалентна энергии покоя). Масса проявляется в природе несколькими способами.

В нерелятивистской классической механике — масса есть величина аддитивная (масса системы равна сумме масс составляющих её тел) и инвариантная относительно смены системы отсчёта. В специальной теории относительности масса неаддитивная, но тоже инвариантная величина, определяемая, как абсолютная величина 4-вектора энергии-импульса[11]: $$m^2 = \frac{E^2}{c^4} - \frac{\mathbf{p}^2}{c^2},$$ где E — полная энергия свободного тела, p — его импульс, cскорость света.

В случае произвольной метрики пространства-времени (как в общей теории относительности) это определение требует некоторого обобщения: $$m^2 = {1 \over c^2} g_{ik}p^i p^k.$$

Здесь \(g_{ik}\) — метрический тензор, \(p^i\) — 4-импульс.

Определённая выше масса является релятивистским инвариантом, то есть она одна и та же во всех системах отсчёта. Если перейти в систему отсчёта, где тело покоится, то \(m = \tfrac{E_0}{c^2}\) — масса определяется энергией покоя.

Особенно просто выглядят эти определения в системе единиц, в которой скорость света принята за 1 (например, в планковской или же в принятой в физике элементарных частиц системе единиц, в которой масса, импульс и энергия измеряются в электронвольтах):

В СТО: \(m = \sqrt{p_i^2} = \sqrt{E^2 - \mathbf{p}^2}\).
В ОТО: \(m = \sqrt{g_{ik}p^i p^k}\).

Следует, однако, отметить, что частицы с нулевой массой (фотон и гипотетический гравитон) двигаются в вакууме со скоростью света (c ≈ 300 000 км/с), и поэтому не существует системы отсчёта, в которой бы они покоились. Напротив, частицы с ненулевой массой всегда движутся медленнее скорости света.

Элементарные частицы и поля[править]

Стандартная модель Физики элементарных частиц
CERN LHC Tunnel1.jpg
Большой адронный коллайдер Туннель ЦЕРН

Физика элементарных частиц — это область физики , которая изучает природу элементарных частиц, составляющих то, что обычно называют материей и излучением. В нынешнем понимании частиц — возбуждение квантовых полей и их динамические взаимодействия. Хотя слово частица en:Particle может использоваться в отношении многих объектов (например, протон, газ-частица, или даже бытовая пыль), термин физика элементарных частиц обычно относится к изучению мельчайших частиц и фундаментальных полей, которые должны быть определены для того, чтобы объяснить наблюдаемые частицы. Они не могут быть определены путем комбинации других фундаментальных полей, т.е. метод выбора частиц комбинированием разными наборами полей. Текущий набор фундаментальных полей и их динамика приведены в теории, называемой стандартной моделью en:Standard_Model, поэтому физика элементарных частиц в значительной степени — это изучение стандартной модели частиц контента и его возможные расширения при нахождении недавнего бозона Хиггса en:Higgs_boson.[12][13]

Материя в общей теории относительности[править]

Согласно укоренившейся терминологии материальными полями в общей теории относительности называют все поля, кроме гравитационного.

См. также[править]

Примечания[править]

  1. R. Penrose (1991). "The mass of the classical vacuum". In S. Saunders, H.R. Brown. The Philosophy of Vacuum. Oxford University Press. p. 21. ISBN 0-19-824449-5.
  2. Matter (physics)". McGraw-Hill's Access Science: Encyclopedia of Science and Technology Online. Retrieved 2009-05-24.
  3. P. Davies (1992). The New Physics: A Synthesis. Cambridge University Press. p. 1. ISBN 0-521-43831-4.
  4. G. 't Hooft (1997). In search of the ultimate building blocks. Cambridge University Press. p. 6. ISBN 0-521-57883-3.
  5. "RHIC Scientists Serve Up "Perfect" Liquid" (Press release). Brookhaven National Laboratory. 18 April 2005. Retrieved 2009-09-15.
  6. J. Olmsted, G.M. Williams (1996). Chemistry: The Molecular Science (2nd ed.). Jones & Bartlett. p. 40. ISBN 0-8151-8450-6.
  7. J. Mongillo (2007). Nanotechnology 101. Greenwood Publishing. p. 30. ISBN 0-313-33880-9.
  8. P.C.W. Davies (1979). The Forces of Nature. Cambridge University Press. p. 116. ISBN 0-521-22523-X.
  9. . Weinberg (1998). The Quantum Theory of Fields. Cambridge University Press. p. 2. ISBN 0-521-55002-5.
  10. M. Masujima (2008). Path Integral Quantization and Stochastic Quantization. Springer. p. 103. ISBN 3-540-87850-5.
  11. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — 512 с. — ISBN 5-02-014420-7>, § 9. Энергия и импульс.
  12. http://home.web.cern.ch/topics/higgs-boson
  13. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2013/advanced-physicsprize2013.pdf
Виды энергии:
Atwood machine.svg Механическая
Transformer Centre-tap Air Core.svg Электрическая
Sun corner.svg Электромагнитная
Oil&gas portal logo.PNG Химическая
Radiation symbol alternate.svg Ядерная
Тепловая
Гипотетические:
  Тёмная
\(\emptyset\) Вакуума