De multe ori, citind articole despre universul sau fizica particulelor, puteți găsi fraza se referă la „materia și energia“, ca în cazul în care - cele două contrarii, două sau partener, sau două fețe ale aceleiași monede, sau două clase care alcătuiesc restul. Acest lucru apare în multe contexte. Uneori, puteți vedea cum descrie poetic Big Bang ca momentul în care întreaga „materia și energia“ a universului. Se poate citi că "materia și antimateria se anihilează în energie pură". Și, bineînțeles, să ne amintim două dintre cele mai mari mistere ale astronomiei - "materia întunecată" și "energia întunecată".
• Materia și energia nu aparțin aceleiași clase de concepte și nu ar trebui să formeze un cuplu în opinia persoanei.
• Materia este un termen ambiguu. Pentru aceasta, există mai multe definiții diferite, folosite atât în literatura științifică, cât și în știința populară. Fiecare definiție acoperă un anumit subset de particule. Asta este, materie - este întotdeauna un fel de substanță, dar care - depinde de context.
• Energia este un termen lipsit de ambiguitate (cel puțin în fizică). Dar energia nu este materie. Aceasta este problema.
• Termenul "energie întunecată" introduce confuzie, deoarece nu este numai energie. Aceasta nu este o substanță. O substanță poate fi parțial responsabilă pentru prezența ei, dar detaliile sunt necunoscute pentru noi.
• Fotonii nu trebuie să fie numiți "energie" sau "energie pură". Toate particulele sunt o perturbare a câmpurilor și au energie. Fotonii nu se deosebesc ca ceva special. Fotonii sunt o substanță, dar energia nu este.
• Întreaga substanță a universului constă din câmpuri (cele mai simple componente ale universului) și particulele lor. Acest punct de vedere datează din 1973.
Ce este materia (și energia)?
În primul rând, să definim termenii.
"Matter" este un termen extrem de ambiguu. Pentru el, nu există o definiție universală, care să nu depindă de context. Cel puțin trei definiții sunt utilizate în locuri diferite. Materia poate fi numită:
1. Atomii sunt blocurile de construcție de bază a ceea ce noi percepem ca „material“ - o masă, aer, piatra, piele, suc de portocale - și acele particule care alcătuiesc atomii înșiși, inclusiv electroni și protoni și neutroni care formează nucleul atom.
2. elementar „particulă de material“ natura: electroni, muoni tau, trei tipuri de neutrini, șase tipuri de cuarci - Toate tipurile de particule nu pot tolera interacțiunea (adică, în afară de fotoni, gluoni gravitonii.Orice, W și Z). Interesant, particula Higgs nu vrea să se potrivească în separarea convenabilă a particulelor de materie și de particule interacțiuni, deoarece această clasificare este inițial un pic artificial.
3. Clase de particule care pot fi găsite în univers și care, în medie, se mișcă mai lent decât lumina.
„Energie“, (fizică, în sensul în care este utilizat) din fericire - destul de concept bine definit, cu care toată lumea este de acord fizica. Din păcate, acest cuvânt are multe semnificații în limba engleză [și rusă] limbă care este foarte ușor pentru a obține confuz, imaginind asta fizica. Pe scurt, am descris diferitele forme de energie fizică în articolul despre masă și energie. Deocamdată, este suficient să spunem că energia nu este un obiect. Un atom este un obiect, energia nu este. Energia poate avea obiecte și grupuri de obiecte - această proprietate a obiectelor, care descriu comportamentul lor și relația dintre ele. Ceea ce trebuie să știm este că particulele sunt ele însele în mișcare prin spațiu, pot avea două tipuri de energie: energie de masă (E = mc 2. independentă de mișcare a unei particule) și energia de mișcare (această energie este egală cu zero, la o particulă în repaus și devine mai mare , cu cât se mișcă mai repede).
Anihilarea particulelor și a antiparticulelor nu este transformarea materiei în energie
Luați în considerare o reprezentare ca "materie și antimaterie, anihilând în energie pură". Pur și simplu, acest lucru nu este adevărat, din mai multe motive.
Un pic mai devreme, v-am dat trei definiții diferite ale materiei. Vorbind despre anihilarea particulelor și a antiparticulelor, vorbitorul poate avea în vedere primul sau al doilea dintre ele. Vreau să discut despre anihilarea unui electron și a unui antielectron (sau a positronului) sau despre anihilarea unui muon și a unui antimoniu. Detalii despre acest proces sunt descrise în articolul despre anihilarea particulelor și a antiparticulelor.
Ce se înțelege prin "energie pură"? Cel mai adesea acest lucru este descris de fotoni și, de obicei, în contextul unui electron și al poziției (sau al altei particule masive și antiparticule). Dar este foarte rău. Energia este ceea ce posedă fotonii și nu ceea ce sunt. Am rouă și greutate - dar asta nu înseamnă că sunt înălțime și greutate.
Termenul "energie curată" este un amestec de poezie, descrieri scurte și gunoi. Deoarece fotonii nu au masa, ei nu au energia de masă, de aceea energia lor este "pură energie a mișcării". Dar acest lucru nu este același lucru cu a spune: "Un foton este o" energie pură ", care în fizică strictă, în opinia unui amator. Fotonii sunt particule, la fel ca electronii. Ambele sunt valuri ale câmpurilor corespunzătoare, și ambele au energie. Electronul anihilat și pozitronul au de asemenea energie - la fel de multă energie ca fotonii în care au anihilat, deoarece energia este conservată (cantitatea totală de energie nu se schimbă după anihilare).
Mai mult decât atât, procesul de transformare și miuonic antimuon doi fotoni apare în exact același lucru se întâmplă și cu aproape aceeași probabilitate, ca procesul de conversie și antimuon miuonic în electroni și pozitroni anihilare adică materia și antimateria într-un alt tip de materie și antimaterie. Nu contează ce cuvinte pentru a exprima, este imposibil să spunem că materia și antimateria anihila mereu în ceva ce ar putea fi chiar să fie aproximativ numit „energie“; există și alte posibilități.
particule 1 + antiparticule 1 → particule 2 + antiparticule 2
Cu această terminologie, este clar de ce mionul și antimoniul se anihilează în două fotoni, fie într-un electron și un pozitron, fie în neutrini și antineutrinos în același mod. Acestea sunt toate procesele din aceeași clasă. Nu este necesar să se creeze o clasificare inexistentă, confundând universalitatea procesului de anihilare a particulelor / antiparticulelor.
În general, materia și energia nu sunt toate
De ce oamenii vorbesc uneori despre "materie și energie", ca și cum totul în jurul lor este fie materie, fie energie? Nu știu în ce context a fost inventată această expresie. Limbajul reflectă istoria și, adesea, răspunde încet la informații noi. O parte din problemă este că, între anii 1900 și 1980, au avut loc schimbări uriașe în conceptele fizice legate de lume și de la ce consta. Acum acest proces sa oprit aproape. În timpul carierei mele a fost surprinzător de stabil.
Vederea noastră actuală asupra lumii fizice a fost formată din cauza unei game largi de experimente și descoperiri care au avut loc în anii 1950, anii '60 și '70. Dar modurile anterioare de gândire și raționament cu privire la fizica particulelor nu au dispărut până în anii 1980 și 1990, când studieam și am fost un om de știință tânăr. Și nu e de mirare - oamenii care au crescut cu idei vechi iau mult timp să se reconstruiască în altele noi și unii nu reconstruiesc. Noua viziune necesită timp pentru a se adapta la toate deficiențele minore.
Astăzi vorbind despre lume în contextul punctului modern de vedere, în primul rând este necesar să vorbim despre "câmpuri și particulele lor". Domeniile sunt principalele componente ale lumii, conform paradigmei dominante moderne. Domeniile ne par mai fundamentale decât particulele, pentru că nu există particule elementare fără câmp și se întâmplă un câmp fără particule. Dar se pare că fiecare dintre câmpurile cunoscute are o particulă cunoscută de noi.
Ce au "câmpurile și particulele" în comun cu "materia și energia"? Nu multe lucruri. Unele câmpuri și particule pe care le-ați putea numi "materie", dar care dintre ele - materie și care - nu, depinde de definiția materiei pe care o utilizați. Dar toate câmpurile și particulele pot avea energie, în timp ce ele nu sunt energie.
Particulele materiei și particulele interacțiunilor
Există o diviziune foarte diferită care are sens: ceea ce eu numesc particule de materie sunt fermioane și ceea ce eu numesc particule de interacțiuni este bosonii. Dar chiar și acest lucru se poate schimba după noi descoperiri.
De fapt, totul se reduce la faptul că toate particulele din natură - este doar particule, dintre care unele sunt antiparticule unul față de altul, și nu există nici o modalitate unică de a le împărți în clase. Eu folosesc cuvantul „materie“ și „interacțiune“, deoarece nu sună atât de abstract ca „fermioni“ și „bosoni“ - dar este posibil ca regret acest lucru, pentru că putem detecta particulele care încalcă această diviziune.
Materia și energia din univers
Un alt loc unde întâlnim aceste cuvinte este istoria și proprietățile cosmosului ca un întreg. Citim despre materie, radiații, materia întunecată și energia întunecată. Folosirea acestor cuvinte de către cosmologi este diferită de ceea ce se așteaptă - și de fapt ei au două sau trei semnificații diferite în funcție de context.
Materie și antimaterie: oamenii care vorbesc despre ei au în vedere prima definiție a trei. Ei vorbesc, de obicei, despre prevalența materiei asupra antimateriei din univers - că particulele care formează materia obișnuită (electroni, protoni și neutroni) sunt mult mai mari decât antiparticulele lor.
Materie și radiații: această diviziune presupune o a treia definiție din listă. Universul are o temperatură. La început, era foarte cald și apoi sa răcit treptat, iar acum este la un punct de 2,7 grade peste zero absolută. Dacă aveți un gaz (sau o plasmă) de particule la o temperatură dată T și măsurați energiile acestor particule, veți găsi că energia medie a mișcării particulelor este k T, unde k este faimoasa constantă Boltzmann. În acest sens, materia este orice particulă a cărei energie de masă mc 2 este mai mare decât energia medie a mișcării kT. Pentru astfel de particule, viteza va fi mult mai mică decât viteza luminii. Radiația este orice particulă a cărei masă de energie este mică în comparație cu kT și, în consecință, se mișcă cu o viteză apropiată de lumină.
Ce este materia întunecată? Bazat pe studiul mișcărilor stelelor și a altor tehnici, putem spune că cea mai mare parte din masa de galaxii este ceva care nu este aprins, iar dovada că pentru aceasta nu îndeplinește cunoscute particule, care se comportă în mod obișnuit, a petrecut o mulțime de forțe. Pentru a explica acest efect, au fost propuse multe teorii și multe dintre ele au fost respinse (de obicei prin observarea aspectului și comportamentului galaxiilor). Din cea rămasă din teoriile de conducere sugerează că materia întunecată este format din particule grele de tip necunoscut. Dar nu știm nimic despre ei. Experimentele ne pot oferi noi informații, deși acest lucru nu este garantat. Notă: este posibil ca nu are sens să vorbim despre antiparticule întunecate, deoarece particulele de materie întunecată, cum ar fi fotonii sau Z-particule, pot fi propriile lor antiparticule.
Și energia întunecată? Recent, sa descoperit că universul se extinde cu accelerare și nu cu decelerare, așa cum a fost în primii ani. Probabil că ceea ce se numește "energie întunecată" este responsabil pentru acest lucru, dar, de fapt, nu este energie. Așa cum îmi place colegul meu Sean Carroll, este vorba de tensiune, nu de energie - o combinație de presiune și densitate energetică. De ce se numește energie? Parțial - din cauza relațiilor publice. Energia întunecată sună rece. Tensiunea întunecată pare ciudată, ca orice alt cuvânt mai mult sau mai puțin potrivit. Într-un fel, este un lucru inofensiv. Oamenii de știință știu ce este în joc, iar terminologia nu provoacă probleme din partea tehnică. Cea mai mare parte a publicului nu are grijă de ceea ce se spune, deci putem spune că din partea non-tehnică nu există nici o problemă. Dar dacă vreți să înțelegeți cu adevărat acest lucru, este important să înțelegeți că energia întunecată nu este o formă întunecată de energie, ci ceva mai subtil. În plus, energia întunecată nu este un obiect sau un set de obiecte, ci o proprietate pe care câmpurile sau combinațiile câmpurilor spațiu-timp le pot avea. Încă nu știm ce este responsabil pentru energia întunecată, a cărei existență o judecăm de universul accelerator. Și înainte de a ne cunoaște, poate dura mult timp.
Apropo, știi ce înseamnă astronomii prin "metale"? Nu ceea ce crezi ...
După ce ați citit articolul, ați putea avea impresia că fizicienii moderni nu sunt deosebit de inventivi, creativi sau care se ocupă în mod clar de limbaj. Evident, acest lucru nu este punctul nostru forte. O explozie mare? O gaură neagră? Poeții din întreaga lume nu ne vor ierta niciodată alegerea unor nume stupide pentru astfel de fenomene fantastice ...
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: