Иметь значение - Matter


Из Википедии, свободной энциклопедии

Иметь значение
Кварцевый oisan.jpg
падение closeup.jpg
NO 2-N2O4.jpg
Плазменная лампа 2.jpg
Материя, как правило , подразделяется на три классические состояния , с плазмой иногда добавляет в четвертом состоянии. Сверху вниз: кварц ( твердый ), воду ( жидкость ), диоксид азота ( газа ), и плазмы земного шара ( плазмы ).

В классической физике и общей химии, независимо от того , является любое вещество , которое имеет массу и занимает пространство, имеющее объем . Все предметы быта , которые могут быть затронуты, в конечном счете состоит из атомов , которые состоят из взаимодействующих субатомных частиц , и в каждый день, а также научное использовании, «материя» обычно включает в себя атомы и ничего , составленные из них, а также любых частиц (или комбинацию частиц ) , которые действуют , как будто они имеют и массу покоя и объем. Однако он не включает безмассовые частицы , такие как фотоны , или другие явления , энергию или волны , такие как свет или звук . Материя существует в различных состояниях (также известные как фазы ). Они включают в себя классические повседневные фазы , такие как твердое вещество , жидкость и газ - например , вода существует в виде льда, жидкой воды и газообразного пара - но и другие состояния возможны, в том числе плазмы , Бозе-Эйнштейна , фермионные конденсаты и КГП ,

Обычно атомы можно представить в виде ядра из протонов и нейтронов , и окружающий «облако» орбитальных электронов , которые «занимают пространство». Однако это лишь несколько правильно, потому что субатомные частицы и их свойства определяются их квантовый характер , что означает , что они не действуют как повседневные предметы кажутся действовать - они могут действовать , как волны, а также частиц , и они не имеют четко определенные 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 принцип исключения и других фундаментальных взаимодействия , некоторые « точечные частицы » , известные как фермионы ( кварки , лептоны ), а также многие композиты и атомы, эффективно вынуждены держать на расстоянии от других частиц в бытовых условиях; это создает свойство материи , которое представляется нам как материя занимает пространство.

На протяжении большей части истории естествознания людей созерцали точную природу материи. Идея , что материя построена из отдельных строительных блоков, так называемая теория частиц материи , была впервые выдвинута на греческие философы Левкипп (~ 490 г. до н.э.) и Демокрит (~ 470-380 г. до н.э.).

Сравнение с массой

Материя не следует путать с массой, как два не то же самое в современной физике. Вещество представляет собой общий термин , описывающий любую « физическую субстанцию» . В отличие от этого , масса не вещество, а количественное свойство вещества и других веществ или систем; различные типы массы определяются в физике - в том числе , но не ограничиваясь массой покоя , инертной массы , релятивистской массы , массы-энергии .

Хотя существуют различные мнения относительно того , что следует считать материей, масса вещества , имеет точные научные определения. Нет Другое отличие состоит в том , что материя есть «противоположность» под названием антиматерии, но масса не имеет противоположного нет такого понятия , как «анти-массы» или отрицательной массы , до сих пор , как известно, хотя ученые делают обсудить концепцию. Антивещество имеет такое же (то есть положительное) свойство массы в качестве своего нормального вещества собрата.

Различные области наук используют термин вещества в различных, а иногда несовместимых, способах. Некоторые из этих способов основаны на рыхлых исторических смыслов, от времени , когда не было никаких причин , чтобы отличить от массы просто количества материи. Таким образом , не существует единого общепринятого научного смысл слова «материя». С научной точки зрения , термин «масса» хорошо определена, но «дело» может быть определено несколькими способами. Иногда в области физики «материя» просто отождествлять с частицами , которые обладают массой покоя (то есть, что не может двигаться со скоростью света), такими , как кварки и лептоны. Однако в обоих физике и химии , независимо от того , как показывает волну -подобных и частицу -подобных свойствами, так называемой двойственности волна-частица .

Определение

На основе атомов

Определение «материи» на основе его физической и химической структуры: материя состоит из атомов . Такая атомная материя также иногда называют обычную материю . В качестве примера, дезоксирибонуклеиновой кислоты молекулы (ДНК) являются материей под это определение , поскольку они сделаны из атомов. Это определение может быть расширено , чтобы включать в себя заряженные атомы и молекулы, таким образом , чтобы включать в плазму (газа ионов) и электролиты (ионные растворы), которые , очевидно , не включены в определении атомов. В качестве альтернативы, можно принять протоны, нейтроны и электроны определение .

На основе протонов, нейтронов и электронов

Определение «материи» более мелкомасштабных , 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 . Это определение выходит за пределы атомов и молекул, однако, включают вещества , изготовленные из этих строительных блоков, которые не просто атомы или молекулы, например электронных пучков в старой электронно - лучевой трубки телевизора или белые карликовых независимо от того, типично, углерода и кислорода ядер в море вырожденных электронов. На микроскопическом уровне, составные «частицы» вещества , такие как протоны, нейтроны и электроны подчиняются законам квантовой механики и двойственности обладают волна-частица. 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

Под определение «кварков и лептонов», элементарные и композитные частицы , сделанные из кварков (в фиолетовый) и лептонов (зеленый цвет) будет независимо от того, в то время как калибровочных бозонов (в красный цвет) не будет вопросом. Тем не менее, энергия взаимодействия , присущая композитные частицы (например, глюоны , участвующие в нейтронах и протонах) вносят вклад в массу обычного вещества.

Как видно из приведенного выше обсуждения, многие ранние определения того , что можно назвать «обычной материи» были основаны на его структуре или «строительных блоков». На шкале элементарных частиц, определение , которое следует этой традиции можно сформулировать так: «обычная материя есть все , что состоит из кварков и лептонов », или «обычная материя есть все , что состоит из каких - либо элементарных фермионов , кроме антикварками и антилептонов» , Связь между этими рецептурами следующим образом .

Лептонов (наиболее известными из которых электрон ), и кварки (из которых барионы , такие как протоны и нейтроны , которые сделаны) объединяются с образованием атомов , которые в свою очередь образуют молекулы . Поскольку атомы и молекулы называются материей, естественно фраза определение как: «обычная материя это все , что сделано из тех же, что атомы и молекулы из». (Тем не менее, обратите внимание , что можно также сделать из этих строительных блоков дело , что не атомы или молекулы.) Затем, поскольку электроны лептонов, а протоны и нейтроны состоят из кварков, это определение в свою очередь , приводит к определению материи как будучи «кварки и лептоны», которые являются двумя из четырех типов элементарных фермионов (двух других антикварков и антилептонов, которые можно рассматривать антивещество , как описано ниже). Carithers и Grannis состояние: «Обычная материя полностью состоит из первого поколения частиц, а именно [вверх] и [вниз] кварков, плюс электрон и его нейтрино.» (Высшие поколения частицы быстро распадаются на частицы первого поколения, и , таким образом, не часто встречаются.)

Это определение обычной материи является более тонким , чем кажется на первый взгляд. Все частицы, входящие в состав обычного вещества (лептоны и кварки) являются элементарными фермионы, в то время как все несущие силы являются элементарными бозонами. В W и Z бозоны , которые опосредуют слабую силу не из кварков или лептонов, и поэтому они не обычной материи, даже если они имеют массу. Другими словами, масса не то , что является исключительно обычным веществом.

Определение кварк-лептон обычного вещества, однако, указывает не только элементарные строительные блоки материи, но также включает в себя композиционные материалы, изготовленные из составных частей (атомов и молекул, например). Такие композиты содержат энергию взаимодействия , который удерживает компоненты вместе, и может представлять собой основную часть массы композита. В качестве примера, в значительной степени, масса атома является просто суммой масс составляющих его протонов, нейтронов и электронов. Тем не менее, рыть глубже, протоны и нейтроны состоят из кварков , связанных между собой глюонными полей (см динамику КХД ) , и эти глюонов поля вносят значительный вклад в массу адронов. Другими словами, большинство из того, что сочиняет «массу» обычной материи связано с энергией связи кварков внутри протонов и нейтронов. Например, сумма масс трех кварков в нуклон составляет около 12,5  МэВ / с 2 , что является низким по сравнению с массой нуклона (примерно 938  МэВ / с 2 ). Суть заключается в том, что большая часть массы бытовых объектов происходит от энергии взаимодействия его элементарных компонентов.

Группы Стандартной Модели материи частицы в три поколений, где каждое поколение состоит из двух кварков и двух лептонов. Первое поколение является вверх и вниз кварков электрон и электронное нейтрино ; вторая включает в себя очарование и странные кварки, на мюон и мюонному ; третье поколение состоит из верхних и нижних кварков и тау и тау - нейтрино . Наиболее естественное объяснение этого будет то , что кварки и лептоны высших поколений возбужденные состояния первых поколений. Если это оказывается дело, это будет означать, что кварки и лептоны являются составными частицами , а не элементарные частицы .

Это определение кварк-лептонного вещества также приводит к тому, что можно охарактеризовать как «сохранение (нетто) материи» законы обсуждаемой позже ниже. С другой стороны, можно было бы вернуться к масс-объемно-пространственной концепции материи, что приводит к следующему определению, в котором антиматерия становится включенным в качестве подкласса материи.

На основе элементарных фермионов (масса, объем и пространство)

Обычное или традиционное определение материи «все , что имеет массу и объем (занимает место )». Например, автомобиль будет сказать, сделано из материи, так как он имеет массу и объем (занимает место).

Наблюдение , что материя занимает пространство восходит к глубокой древности. Тем не менее, объяснение того , почему материя занимает пространство в последнее время , и утверждается, что результатом описанного явления в принципе запрета Паули , который относится к фермионов . Два конкретных примеров , когда принцип исключения явно относится дело к оккупации пространства белые карлики и нейтронные звезды, обсуждаются ниже.

Таким образом, материя может быть определена как все состоит из элементарных фермионов. Несмотря на то, что мы не сталкиваемся с ними в повседневной жизни, антикварки (например, антипротон ) и антилептоны (например, позитронов ) являются античастицы кварка и лептона, элементарные фермионы , а также, и имеют по существу те же свойства , как кварки и лептонов, в том числе применимости принципа запрета Паули , который можно сказать , чтобы предотвратить две частицы от того , в том же месте , в то же время (в том же состоянии), т.е. делает каждую частицу «занимают пространство». Это особое определение приводит к материи определяется включить что - нибудь сделанное из этих антивещества частиц, а также обычных кварков и лептонов, а значит , и ничего , сделанное 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 один не может добавить остальные массы частиц в системе , чтобы получить общую массу покоя системы. Таким образом, в ОТО , как правило , более общий вид, что это не сумма масс покоя , а тензор энергии-импульса , что квантифицирует количество вещества. Этот тензор дает массу покоя для всей системы. «Материя» поэтому иногда рассматривается как нечто , что способствует энергии-импульса системы, то есть, все , что не чисто тяжести. Эта точка зрения обычно проводятся в областях , которые имеют дело с общей теорией относительности , такие как космология . С этой точки зрения, легкие и другие невесомые частицы и поля являются частью «материи».

Состав

В физике элементарных частиц, фермионы представляют собой частицы , которые подчиняются статистике Ферми-Дирака . Фермионы могут быть элементарными, как электрон-или композит, как протон и нейтрон. В стандартной модели , существуют два типа элементарных фермионов: кварки и лептоны, которые обсуждаются в следующем.

Кварки

Кварки представляют собой частицы спин - 1 / 2 , что означает , что они являются фермионами . Они несут электрический заряд из - 1 / 3  х (вниз-типа кварков) или + 2 / 3  х (вверх-типа кварков). Для сравнения, электрон имеет заряд -1 х. Они также несут цветовой заряд , который является эквивалентом электрического заряда для сильного взаимодействия . Кварки также претерпевают радиоактивный распад , а это означает , что они подлежат слабое взаимодействие . Кварки являются массивные частицы, и , следовательно , также подвержены гравитации .

свойства Quark
название условное обозначение вращение электрический заряд
( е )
Масса
( МэВ / с 2 )
масса сравнима с античастица античастица
символ
до-типа кварки
вверх
U
1 / 2 + 2 / 3 От 1,5 до 3,3 ~ 5 электронов antiup
U
очарование
с
1 / 2 + 2 / 3 1160 к 1340 ~ 1 протон anticharm
с
Топ
T
1 / 2 + 2 / 3 169100 до 173300 ~ 180 протонов или
~ 1 вольфрам атом
antitop
T
понижающего типа кварков
вниз
d
1 / 2 - 1 / 3 3,5 до 6,0 ~ 10 электронов antidown
d
странный
s
1 / 2 - 1 / 3 От 70 до 130 ~ 200 электронов antistrange
s
низ
б
1 / 2 - 1 / 3 4130 к 4370 ~ 5 протонов antibottom
б
Творог структура протона: 2 до кварков и 1 вниз кварка.

барионной материи

Барионы сильно взаимодействующих фермионов, и поэтому подвержены статистике Ферми-Дирака. Среди барионов являются протонами и нейтронов, которые происходят в атомных ядрах, но и многие другие нестабильные барионы существуют также. Термин барионы обычно относятся к triquarks-частицам , изготовленные из трех кварков. Кроме того , «экзотические» барионы из четырех кварков и известно как один антикварка пентакварков , но их существование не является общепринятым.

Дело в том , Барионный части вселенной , который сделан из барионов ( в том числе всех атомов). Эта часть Вселенной не включает в себя темную энергию , темную материю , черные дыры или различные формы вырожденного вещества, такие как сочинить белые карликовые звезды и нейтронные звезды . Микроволновая свет видела Wilkinson Microwave анизотропии Probe (WMAP), свидетельствует о том , что только около 4,6% от той части Вселенной в диапазоне лучших телескопов (то есть, независимо от того , что может быть видно , что свет может достигнуть нас от него), производятся барионной материи. Около 26,8% темная материя, и около 68,3% темная энергия.

В самом деле, большинство из обычной материи во Вселенной невидимо, так как видимые звезды и газ внутри галактик и их скоплений составляют менее 10 процентов от обычного вклада вещества плотности массы-энергии Вселенной.

Сравнение между белым карликом IK Пегаса B ( в центре), его A-класса компаньон IK Пегаса A (слева) и Солнце (справа). Этот белый карлик имеет температуру поверхности 35,500 K.

адронной материи

Адронной материи может относиться к «обычной» барионной материи, изготовленные из адронов ( барионов и мезонов ), или кварковой материи (обобщение атомных ядер), то есть. «низкой» температуры ОТК дело . Она включает в себя вырожденное дело и результат высоких энергий столкновений тяжелых ядер. В отличие от темной материи .

вырожденного вещества

В физике, вырожденная материя относится к основному состоянию газа фермионов при температуре , близкой к абсолютному нулю. Принцип запрета Паули требует , чтобы только два фермионы могут занять квантовое состояние, один спин-вверх , а другой спин-вниз. Следовательно, при нулевой температуре, фермионы заполняют достаточный уровень , чтобы вместить все доступные фермионы-и в случае многих фермионов, максимальная кинетическая энергия (называемая энергией Ферми ) , а давление газа становятся очень большими, и зависят от число фермионов , а не температура, в отличие от нормальных состояний материи.

Вырожденного вещества , как полагают, происходит в процессе эволюции тяжелых звезд. Демонстрация Субраманьян Чандрасекар , что белые карлики имеют максимально допустимую массу из - за принцип исключения вызвала революцию в теории эволюции звезд.

Вырожденное вещество включает в себя часть вселенной, которая состоит из нейтронных звезд и белых карликов.

Странное дело

Странное дело особая форма кварковой материи , обычно мыслится как жидкость из вверх , вниз , и странных кварков . Это контрастирует с ядерной материи , которая представляет собой жидкость нейтронов и протонов (которые сами по себе построены из вверх и вниз кварков), и с не странной кварковой материи, которая представляет собой кварк жидкость , которая содержит только вверх и вниз кварков. При достаточно высокой плотности, странное дело , как ожидается , будет цвет сверхпроводящими . Странный вопрос гипотетический происходит в ядре нейтронных звезд , или, более умозрительно, как изолированные капли , которые могут отличаться по размеру от femtometers ( Странглет ) в километры ( кварковы звезды ).

Два значения термина «странная материя»

В физике элементарных частиц и астрофизики , этот термин используется двумя способами, один шире , а другой более конкретно.

  1. Широкий смысл только кварковая материя , которая содержит три ароматов кварков: вверх, вниз, и странно. В этом определении, существует критическое давление и связанная с критической плотность, и когда ядерное вещество (из протонов и нейтронов ) сжимается за пределами этой плотности, протоны и нейтроны распадаются на кварки, получая кварковое вещество (вероятно , странное дело).
  2. Более узкий смысл кварковой материи , что является более стабильным , чем ядерной материи . Идея , что это может произойти это «странное дело гипотеза» о Бодмере и Витте. В этом определении, критическое давление равно нулю: истинное основное состояние материи всегда кварковой материи. Ядра , которые мы видим в этом вопросе вокруг нас, которые являются капельками ядерной материи, на самом деле являются метастабильными , и дано достаточно времени (или правым внешним стимул) будет распадаться на капельки странной материи, т.е. странглет .

Лептоны

Лептоны представляют собой частицы спин - 1 / 2 , что означает , что они являются фермионами . Они несут электрический заряд , равное -1  , е (заряженные лептоны) или 0 (е) нейтрино. В отличие от кварков, лептонов не несут цветовой заряд , что означает , что они не испытывают сильного взаимодействия . Лептоны также претерпевают радиоактивный распад, а это означает , что они подлежат слабое взаимодействие . Лептоны массивные частицы, поэтому подвержены гравитации.

свойства лептонных
название условное обозначение вращение электрический заряд
( е )
Масса
( МэВ / с 2 )
масса сравнима с античастица античастица
символ
заряженные лептоны
электрон
е -
1 / 2 -1 0,5110 1 электрон антиэлектрон
е +
мюонов
μ -
1 / 2 -1 105,7 ~ 200 электронов антимюонов
μ +
тау
τ -
1 / 2 -1 1777 ~ 2 протонов antitau
τ +
нейтрино
электронное нейтрино
ν
е
1 / 2 0 <0.000460 < 1 / 1000 электронов электронное антинейтрино
ν
е
мюонного нейтрино
ν
μ
1 / 2 0 <0,19 < 1 / 2 электрона мюонного антинейтрино
ν
μ
тау нейтрино
ν
τ
1 / 2 0 <18,2 <40 электронов тау антинейтрино
ν
τ

Этапы

Фазовая диаграмма для типичного вещества в фиксированном объеме. Вертикальная ось Р ия, горизонтальная ось Т емпер тур. Зеленая линия отмечает точку замерзания (выше зеленой линии твердого вещества , ниже это жидкость ) и синяя Линия точка кипения (выше это жидкость , и ниже это газ ). Так, например, при более высоком Т , более высокий Р необходимо поддерживать вещество в жидкой фазе. В тройной точке три фазы; жидкость, газ и твердые; могут сосуществовать. Выше критической точки не обнаруживается разница между фазами. Пунктирная линия показывает аномальное поведение воды : лед тает при постоянной температуре при увеличении давления.

В массе , независимо от того , может существовать в нескольких различных формах, или агрегатных состояниях, известных как фазы , в зависимости от окружающей среды давления , температуры и объема . Фаза является формой материи , которая имеет относительно однородный химический состав и физические свойства (например, плотность , удельную теплоемкость , показатель преломления , и так далее). 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. Есть также парамагнитные и ферромагнитные фазы магнитных материалов . При изменении условий, независимо от того , может изменяться от одной фазы в другую. Эти явления называются фазовыми переходами , и изучаются в области термодинамики . В наноматериалах, то значительно увеличили отношение площади поверхности к объему результатам в веществе , которые могут обладать свойствами , полностью отличными от свойств сыпучего материала, и не очень хорошо , описываемое любой объемной фазой (см наноматериалов для более подробной информации).

Фазы иногда называют состояния материи , но этот термин может привести к путанице с термодинамическими состояниями . Например, два газа поддерживается при различных давлениях в различных термодинамических состояниях (различные давления), но в той же фазе (оба газа).

антивещество

Вопрос dropshade.png Нерешенные проблемы в физике :
Барионной асимметрии . Почему существует гораздо больше материи , чем антиматерии в наблюдаемой Вселенной?
(более нерешенные проблемы в физике)

В физике элементарных частиц и квантовой химии , антиматерия материи , которая состоит из античастиц тех , которые представляют собой обычную материю. Если частица и ее античастица вступают в контакт друг с другом, два аннигилирует ; то есть, они оба могут быть преобразованы в другие частицы с равной энергией в соответствии с Эйнштейна уравнением «с Е = тс 2 . Эти новые частицы могут быть с высокой энергией фотонов ( гамма - лучи ) или другие пары частиц-античастиц. Полученные частицы наделены количеством кинетической энергии , равной разность между массой покоя из продуктов аннигиляции и массой покоя исходной частицы-античастицы пары, которая часто довольно большая. В зависимости от того, какое определение из «материи» принимается, антиматерия , можно сказать, что конкретный подкласс материи, или противоположность материи.

Антиматерии не найден естественно на Земле, за исключением очень кратко и в исчезающе малых количествах (в результате радиоактивного распада , молнии или космических лучей ). Это происходит потому , что антивещество , что пришло существовать на Земле вне границ соответствующей лаборатории физики почти мгновенно встретить обычную материю , что Земля состоит из, и аннигилировать. Античастицы и некоторые стабильной антивещества (например, антиводорода ) могут быть сделаны в небольших количествах, но не в достаточном количестве , чтобы сделать больше , чем испытать некоторые из его теоретических свойств.

Существует значительная спекуляция как в науке и научной фантастике , почему наблюдаемая Вселенная, по- видимому почти полностью материи (в том смысле , кварки и лептонов , но не антикварки или Антилептоны), и есть ли другие места почти полностью антивещество (антикварки и антилептоны) вместо , В ранней Вселенной, полагают , что материя и антиматерия были в равной степени представлены и исчезновение антиматерии требует асимметрии физических законов , называемых СР (зарядовой четности) нарушение симметрии , которые могут быть получены от стандартной модели, но в это время видимая асимметрия вещества и антивещества в видимой вселенной является одним из самых больших нерешенных проблем в физике . Возможные процессы , с помощью которых она возникла разведаны более подробно в бариогенезисе .

Формально частица антивещества может быть определена их отрицательным барионный числом или лептонным числом , в то время как «нормальная» (не антиматерии) частица вещества имеет положительные барионы или лептонное число. Эти два класса частиц являются античастица партнерами друг друга.

В октябре 2017 года ученые сообщили новые доказательства , что материя и антиматерия , в равной степени производится на Big Bang , являются идентичными, должны полностью уничтожить друг друга и, как следствие, Вселенная не должна существовать. Это означает , что там должно быть что - то, пока еще неизвестных ученых, которые либо прекратили полное взаимное уничтожение материи и антиматерии в начале формирующего вселенной, или что привело к дисбалансу между этими двумя формами.

Сохранение материи

Две величины , которые могут определить количество вещества в том смысле , кварк-лептонов (и антивещества в смысле антикварковое-антилептон), число барионов и лептонного числа , которые 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. Таким образом, чистый объем вещества, как измерено по количеству кварков (минус число антикварков, каждый из которых имеет барионную число -1/3), которая пропорциональна числу барионов, и число лептонов (минус антилептонов), который называется число лептонов, практически невозможно изменить в любом процессе. Даже в атомной бомбы, ни один из барионов (протонов и нейтронов , из которых атомные ядра состоят) не будут уничтожены, существует столько барионы после того, как перед реакцией, так что ни один из этих частиц вещества не фактически уничтожены , и ни один из них даже преобразованы чтобы частицы не-материи (как фотоны света или излучения). Вместо этого, ядерный (и , возможно , хромодинамический) энергии связи освобождается, так как эти барионы стали связаны в ядра среднего размера , имеющих меньше энергии (и, что то же самой , меньше массы) на нуклон по сравнению с первоначальным небольшим (водородом) и большой (плутоний и т.д. ) ядра. Даже в электрон-позитронной аннигиляции , не существует чистая материя разрушается, потому что был нулевой чистой материи (ноль общее число лептонного и барионного числа) , чтобы начать с до аннигиляции одного лептона минус одна антилептона равна нулю нетто - лептон номер-и это чистая сумма дело не меняется , как это просто остается равным нулю после аннигиляции. Таким образом, единственный способ действительно «уничтожить» или «преобразовать» обычная материя, чтобы соединить его с таким же количеством антиматерии , так что их «matterness» отменяет, но на практике почти нет антивещества общедоступного во Вселенной (см барионов асимметрии и leptogenesis ) , с которой , чтобы сделать это.

Другие типы

Круговая диаграмма , показывающая доли энергии во Вселенной , вносимой различных источников. Обычная материя делятся на светящуюся материю (звезда и светящиеся газы и 0,005% излучения) и невакуумное вещество (межгалактический газ и около 0,1% и 0,04 нейтрино% черные дыр). Обычная материя является редкостью. Смоделирован Острайкера и Штайнхардта. Для получения дополнительной информации см NASA .

Обычная материя, в определении кварков и лептонов, составляет около 4% от энергии в наблюдаемой Вселенной . Остальная энергия теоретически быть из - за экзотические формы, из которых 23% темная материя и 73% является темной энергией .

Галактики кривая вращения для Галактики. Вертикальная ось скорость вращения вокруг центра Галактики. Горизонтальная ось представляет расстояние от центра Галактики. ВС отмечен желтым мячом. Наблюдаемая кривая скорости вращения синего цвета. Предсказывал кривая основана на звездной массы и газа в Галактике имеет красный цвет. Разница обусловлена темной материи или , возможно, модификации закона тяготения . Разброс наблюдений указывается примерно на серые полосы.

Темная материя

В 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 данные о ранней Вселенной и Большой взрыв теории требуют , чтобы этот вопрос имеет энергию и массу, но не состоят обычные барионы (протоны и нейтроны). Общепринятое мнение , что большая часть темной материи небарионная в природе . Как таковой, он состоит из частиц , еще незаметные в лаборатории. Возможно , они являются суперсимметричными частицами , которые не являются стандартной моделью частицы, но реликвии , образующихся при очень высоких энергиях на ранней стадии Вселенной и до сих пор носятся.

Темная энергия

В космологии , темная энергия является именем , данное источником отталкивающего влияния , которое ускоряется скорость расширения Вселенной . Его точный характер в настоящее время тайна, хотя его последствия могут быть разумно смоделированы путем присвоения материи-подобные свойства , такие как плотность энергии и давление в вакууме сам.

Полностью 70% от плотности вещества во Вселенной , как представляется, в виде темной энергии. Двадцать шесть процентов темной материи. Только 4% является обычной материей. Так меньше , чем 1 часть в 20 сделана из материи мы наблюдали экспериментально или описанные в стандартной модели физики элементарных частиц. Из остальных 96%, за исключением свойств только что упомянутых, мы абсолютно ничего не знаем.

-  Ли Смолин : Неприятности с физикой , с. 16

Экзотическая материя

Экзотические Дело в том , понятие физики элементарных частиц , которые могут включать в себя темную материю и темную энергию , но идет дальше , чтобы включать в себя любой гипотетический материал , который нарушает одно или более из свойств известных форм материи. Некоторые такие материалы могут обладать гипотетическими свойствами , как отрицательной масса .

Историческое развитие

Античность (ок. 610 г. до н.э.-с. 322 до н.э.)

В Досократиках были одними из первых записанных спекулянтов о нижележащей природе видимого мира. Фалес (ок. 624 г. до н.э.-с. 546 до н.э.) считал воду как основной материал в мире. Анаксимандр (.. С 610 г. до н.э.-с 546 г. до н.э.) утверждал , что основной материал был совершенно бесхарактерный или безграничны: Бесконечный ( апейрон ). Анаксимен (расцвет 585 г. до н.э., д. 528 г. до н.э.) утверждал , что основной материал был пневма или воздух. Гераклит (ки. 535-с. 475 до н.э.) , кажется, говорит , что основной элемент является огнем, хотя , возможно , он означает , что все изменения. Эмпедокл (. С 490-430 до н.э.) говорил о четырех элементах которого было сделано все: земля, вода, воздух и огонь. Между тем, Парменид утверждал , что изменения не существует, и Демокрит утверждал , что все состоит из крохотных, инертных тел всех форм , называемых атомами, философия называется атомизм . Все эти понятия имели глубокие философские проблемы.

Аристотель (384-322 до н.э.) был первым поставить концепцию на прочной философской основе, что он сделал в своей естественной философии, особенно в физике книги I. Он принят в качестве разумных предположений четыре Empedoclean элементов , но добавил пятый, эфир , Тем не менее, эти элементы не являются основными в виде Аристотеля. Вместо этого они, как и все остальное в видимом мире, состоит из основных принципов материи и формы.

Для моего определения материи является именно это, первичным субстратом каждой вещи, от которых она приходит, чтобы быть без квалификации, и которая сохраняется в результате.

-  Аристотель, физика I: 9: 192a32

Слово Аристотель использует для материи, ὕλη ( Hyle или Hule ) , может быть буквально переводится как дерево или лес, то есть, «сырье» для строительства. Действительно, концепция Аристотеля материи неразрывно связана с чем - то делается или в составе. Другими словами, в отличие от ранней современной концепции материи , как просто занимающей пространство, материя для Аристотеля definitionally связан обрабатывать или изменения: Дело в том , что лежит в основе изменения вещества. Например, лошадь ест траву: лошадь изменяет траву в себя; трава как таковой не сохраняется в лошади, но некоторые из его аспектов, его материя-делает. Дело конкретно не описано (например, в виде атомов ), но состоит из независимо сохраняется в изменении вещества из травы на лошадь. Материя в таком понимании не существует самостоятельно (т.е., как вещества ), но существует взаимозависимо (то есть, как «принцип») с формой и лишь постольку , поскольку она лежит в основе изменения. Это может быть полезно представить себе отношения материи и формы , как очень похоже, что между частями и целом. Для Аристотеля, материи как таковой может только получать актуальность из формы; она не обладает активностью или действительности самого по себе, подобной тому, как части , как таковым имеет только их существование в целом ( в противном случае они были бы независимой целыми).

Семнадцатый и восемнадцатый века

Рене Декарт (1596-1650) возникла современная концепция материи. Он был в первую очередь геометр. Вместо того , чтобы , как и Аристотель, выводя существование материи от физической реальности изменения, Декарт произвольно постулируется материей быть абстрактным, математическим веществом , которое занимает пространство:

Таким образом, расширение по длине, ширине и глубине, составляет природу телесного вещества; и мысль представляет природу мыслящей субстанции. А все остальное связано с телом предполагает расширение, а только режим продлен

-  Рене Декарт, принципы философии

Для Декарта, независимо от того , имеет только свойство расширения, так что его единственная деятельность в стороне от локомоции , чтобы исключить другие органы: это механицизм . Декарт делает абсолютное различие между разумом, которое он определяет как нераспространенный, мыслящую субстанцию, и материи, которую он определяет как бездумная, протяженную субстанцию. Они являются независимыми вещами. В противоположность этому , Аристотель определяет материю и формальный / принцип , образующий в качестве дополнительных принципов , которые вместе составляют одну независимую вещь ( вещество ). Короче говоря, Аристотель определяет материю (грубо говоря), а какие вещи на самом деле сделаны из (с потенциальным независимым существованием), но Декарт возводит дело до реальной самостоятельной вещи в себе.

Непрерывность и разница между Декарта и концепций Аристотеля заслуживает внимания. В обеих концепциях, независимо от того , является пассивным или инертным. В соответствующих концепциях материи имеют разные отношения к разведке. Для Аристотеля, материя и разум (форма) существуют вместе в взаимозависимых отношениях, в то время как для Декарта, материя и разум (ум) являются definitionally против, независимые вещества .

обоснованием Декарта для ограничения неотъемлемых качеств материи расширения является его неизменностью, но его реальный критерий не является неизменностью (который в равной степени применяется к цвету и сопротивлению), но его желанию использовать геометрию, чтобы объяснить все свойства материала. Как и Декарт, Гоббс, Бойл и Локк утверждал, что собственные свойства тел были ограничены расширения, и что так называемые вторичные качества, такие как цвет, были только продукты человеческого восприятия.

Исаак Ньютон (1643-1727) унаследовал механическую концепцию Декарта материи. В третьем его «Правил умозаключений в философии», Ньютон перечисляет универсальные свойства материи , как «расширение, твердость, непроницаемость, подвижность и инерция». Точно так же в оптике он предполагает , что Бог создал материю как «твердый, Масси, твердых, непроницаемых, подвижных частиц», которые были «... даже так очень трудно , как никогда не носить или поражал». В «первичные» свойства материи были поддаются математическому описанию, в отличие от «вторичных» качеств , таких как цвет или вкус. Как и Декарт, Ньютон отверг сущность вторичных качеств.

Ньютон разработал понятие Декарта материи путем восстановления материи внутренних свойств в дополнении к расширению (по крайней мере, на ограниченной основе), такие как массы. Использование Ньютона гравитационной силы, которая работала «на расстоянии», эффективно аннулировал механики Декарта, в котором взаимодействие произошло исключительно за счет контакта.

Хотя гравитации Ньютона , казалось бы, быть сила тел, Ньютон сам не признал это , чтобы быть существенным свойством материи. Проведение логики вперед более последовательно, Джозеф Пристли (1733-1804) утверждал , что телесные свойства выходят за рамки контактной механики: химические свойства требуют потенциала для привлечения. Он утверждал , независимо от того , есть и другие неотъемлемые полномочия , кроме так называемых первичных качеств Декарта и др.

Девятнадцатый и двадцатый века

Со времени Пристли, было массивное расширение знаний о составляющих материального мира (то есть, молекулы, атомы, субатомные частицы), но не было никакого дальнейшего развития в определении материи. Скорее вопрос был отведен. Ноам Хомский (род 1928) обобщает ситуацию , которая сложилась с тех пор:

Что такое понятие тела, которое, наконец, появился? [...] Ответ таков, что не существует четкого и определенного представления о теле. [...] Скорее всего, материальный мир то, что мы обнаруживаем, что это будет, с любыми свойствами надо полагать, чтобы иметь для целей объясняющей теории. Любой вразумительный теория, которая предлагает подлинные объяснения и которые могут быть отнесены к основным понятиям физики становится частью теории материального мира, частью нашего счета тела. Если у нас есть такая теория в некоторой области, мы стремимся, чтобы ассимилировать ее основные понятия физики, возможно, изменяя эти понятия, как мы выполняем это предприятие.

-  Ноам Хомский, Язык и проблемы знания: Манагуа лекция , стр. 144

Так материи независимо физика исследования и объект изучения физики материи: нет никакого независимого общего определения материи, кроме его установки в методологию измерения и контролируемый эксперимент. Короче говоря , границы между тем, что представляет собой материю , а все остальное остается расплывчатым , как проблема демаркации разграничения науки от всего остального.

В 19 - м веке, после развития периодической таблицы , и в теории атома , атомы рассматривались как основные составляющие материи; атомов образуются молекулы и соединения .

Общее определение в терминах занимающего пространства и имеющей массу в отличии от большинства физических и химических определений материи, которые полагаются вместо этого на его структуру и на атрибутах не обязательно связан с объемом и массой. На рубеже девятнадцатого века, знание материи началось быстрое развитие.

Аспекты ньютоновского еще властвовали. Джеймс Клерк Максвелл обсудили вопрос в своей работе материи и движения . Он тщательно отделяет «материю» из пространства и времени, и определяет его в терминах объекта , указанного в первом законе Ньютона .

Однако ньютоновская картина была не вся история. В 19-м веке, термин «материя» активно обсуждался целый ряд ученых и философов, а также краткое описание можно найти в Levere. Учебник обсуждение с 1870 показывает, дело в том, что состоит из атомов:

Три подразделения материи признается в науке: массы, молекулы и атомы.
Масса вещества является любой частью материи заметно чувствами.
Молекула является самой маленькой частицей материи в которой тело может быть разделено без потери своей идентичности.
Атом является еще меньше частиц получают путем деления молекулы.

Вместо того , чтобы просто иметь атрибуты массы и занимая пространство, материя была проведена , чтобы химические и электрические свойства. В 1909 году знаменитый физик Томсон (1856-1940) писал о «строении материи» и была связана с возможной связи между материей и электрическим зарядом.

Существует целая литература о «строении материи», начиная с «электрической структуры» в начале 20 - го века, в более позднюю «кварковой структуру материи», представил сегодня с замечанием: Понимание кварковой структуры материи был один из самых важных достижений в области современной физики. В связи с этим, физики говорят о полой материи , и говорить о частицах как «квантовых возбуждения моды поля материи». А вот цитата из де Sabbata и Гасперините: «Со словом„материя“мы обозначаем, в этом контексте, источники взаимодействий, то есть спинорные поля (например , кварки и лептоны ), которые , как полагают, основные компоненты материи, или скалярных полей , как частицы Хиггса , которые используются для введенной массы в калибровочной теории (и что, однако, может состоять из более фундаментальных полей ТФ) «.

В конце 19 - го века с открытием этого электрона , а в начале 20 - го века, с открытием этого атомного ядра и рождение физики элементарных частиц , материя рассматривалась как из электронов, протонов и нейтронов , взаимодействующих с образованием атомов , Сегодня мы знаем , что даже протоны и нейтроны не неделимы, они могут быть разделены на кварки , а электроны являются частью семейства частиц называется лептоны . Оба кварки и лептоны являются элементарными частицами , и в настоящее время рассматриваются как основные составляющие материй.

Эти кварки и лептоны взаимодействуют через четыре фундаментальных сил : гравитационные , электромагнетизм , слабые взаимодействия и сильные взаимодействия . 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; она описывается только классической физикой (см квантовой гравитации и гравитон ). Взаимодействие между кварками и лептонов являются результатом обмена силовых несущих частиц (например, фотонов ) между кварков и лептонов. Силовые несущие частицы не являются самим строительными блоками. Как одно из следствий, масса и энергия (которые не могут быть созданы или уничтожены) не всегда могут быть связаны с материи (которые могут быть созданы из частиц без вещества , таких как фотоны, или даже из чистой энергии, такие , как кинетическая энергия). Носители сил, как правило , не считаются веществами: носители электрической силы (фотоны) обладают энергией (см Планка соотношения ) и носитель слабой силы ( W и Z бозоны ) массивны, но ни считаются материей либо. Однако, в то время как эти частицы не являются веществом, они вносят свой вклад в общую массу атомов, элементарных частиц , и все системы , которые их содержат.

Резюме

Современная концепция материи была усовершенствована много раз в истории, в свете улучшения знания только то , что основные строительные блоки, а в том , как они взаимодействуют между собой . Термин «материя» используется в физике в ошеломляющей различных контекстах: например, один относится к « физике конденсированных сред », «элементарно», « партонный » материя, « темная » материя, " анти „-matter“ странное «дело, и» ядерная "материя. При обсуждении вопроса и антивещества , нормальный вопрос был передан на по Альвеновскому в koinomatter (Gk. Общее деле ). Справедливости ради стоит сказать , что в физике , не существует широкий консенсус в отношении общего определения материи, и «материя» термин обычно используется в сочетании с модификатором с конкретным указанием.

История понятия материи является историей основных масштабов длины , используемых для определения материи. Различные строительные блоки применяются в зависимости от того , определяет один вопрос , на атомном или элементарном уровне частиц. Можно использовать определение , что материя есть атомы, или что материя адроны , или что материя лептоны и кварки в зависимости от масштаба , в котором кто -то желает определить материю.

Эти кварки и лептоны взаимодействуют через четыре фундаментальных сил : гравитационные , электромагнетизм , слабые взаимодействия и сильные взаимодействия . 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; она описывается только классической физикой (см квантовой гравитации и гравитон ).

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

Мои Pals здесь! Наука Р3 и 4-Cycless Глава 3 (материя)

внешняя ссылка