В классической физике и общей химии материя — это любая субстанция, которая имеет массу и занимает пространство, имея объем . [1] Все повседневные предметы, к которым можно прикоснуться, в конечном счете 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, и любые частицы (или комбинации частиц ), которые действуют так, как будто они имеют как массу покоя , так и объем . Однако она не включает безмассовые частицы , такие как фотоны , или другие энергетические явления или волны, такие как свет или тепло . [1] : 21 [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 ядро из протонов и нейтронов и окружающее «облако» вращающихся электронов, которые «занимают пространство». [4] [5] Однако это верно лишь отчасти, поскольку субатомные частицы и их свойства управляются их квантовой природой , что означает, что они не действуют так, как действуют повседневные объекты — они могут действовать как волны, а также как частицы , и у них нет четко определенных размеров или положений. В Стандартной модели физики элементарных частиц материя не является фундаментальной концепцией, поскольку элементарные составляющие атомов являются квантовыми сущностями, которые не имеют собственного «размера» или « объема » в каком-либо повседневном смысле этого слова. Из-за принципа исключения и других фундаментальных взаимодействий некоторые « точечные частицы », известные как фермионы ( кварки , лептоны ), и многие композиты и атомы фактически вынуждены сохранять дистанцию от других частиц в повседневных условиях; это создает свойство материи, которое кажется нам материей, занимающей пространство.
На протяжении большей части истории естественных наук люди размышляли о точной природе материи. Идея о том, что материя состоит из дискретных строительных блоков, так называемая корпускулярная теория материи , появилась как в Древней Греции , так и в Древней Индии . [6] Ранние философы, которые предложили корпускулярную теорию материи, включают древнеиндийского философа Канаду ( ок. 6 в. до н. э. или позже), [7] досократического греческого философа Левкиппа (~490 г. до н. э.) и досократического греческого философа Демокрита (~470–380 г. до н. э.). [8]
Материю не следует путать с массой, поскольку в современной физике это не одно и то же. [9] Материя — это общий термин, описывающий любую «физическую субстанцию». Напротив, масса — это не субстанция, а скорее количественное свойство материи и других субстанций или систем; в физике определяются различные типы массы — включая, но не ограничиваясь массой покоя , инертной массой , релятивистской массой , массой-энергией .
Хотя существуют разные взгляды на то, что следует считать материей, масса вещества имеет точные научные определения. Другое отличие заключается в том, что у материи есть «противоположность», называемая антиматерией , но у массы нет противоположности — насколько известно, не существует такого понятия, как «антимасса» или отрицательная масса , хотя ученые обсуждают эту концепцию. Антиматерия имеет то же (т. е. положительное) свойство массы, что и ее обычный аналог из материи.
Различные области науки используют термин «материя» по-разному, а иногда и несовместимо. Некоторые из этих способов основаны на свободных исторических значениях со времен, когда не было причин отличать массу от простого количества материи . Таким образом, не существует единого общепризнанного научного значения слова «материя». С научной точки зрения термин «масса» четко определен, но «материя» может быть определена несколькими способами. Иногда в области физики «материю» просто приравнивают к частицам, которые демонстрируют массу покоя (т. е. которые не могут двигаться со скоростью света), таким как кварки и лептоны. Однако и в физике , и в химии материя проявляет как волновые , так и корпускулярные свойства, так называемый корпускулярно-волновой дуализм . [10] [11] [12]
Химическое вещество — это уникальная форма материи с постоянным химическим составом и характерными свойствами . [13] [14] Химические вещества могут принимать форму одного элемента или химических соединений . Если два или более химических веществ могут быть объединены без реакции , они могут образовать химическую смесь . [15] Если смесь разделяется для выделения одного химического вещества в желаемой степени, то полученное вещество называется химически чистым . [16]
Химические вещества могут существовать в нескольких различных физических состояниях или фазах (например, твердые тела , жидкости , газы или плазма ) без изменения их химического состава. Вещества переходят между этими фазами материи в ответ на изменения температуры или давления . Некоторые химические вещества могут быть объединены или преобразованы в новые вещества посредством химических реакций . Химические вещества, которые не обладают этой способностью, называются инертными .
Чистая вода является примером химического вещества с постоянным составом из двух атомов водорода , связанных с одним атомом кислорода (т. е. H 2 O). Атомное соотношение водорода к кислороду всегда составляет 2:1 в каждой молекуле воды. Чистая вода будет иметь тенденцию к кипению около 100 °C (212 °F), что является примером одного из характерных свойств, которые ее определяют. Другие известные химические вещества включают алмаз (форма элемента углерода ), поваренную соль (NaCl; ионное соединение ) и рафинированный сахар (C 12 H 22 O 11 ; органическое соединение ).Определение «материи», основанное на ее физической и химической структуре, следующее: материя состоит из атомов . [17] Такая атомарная материя также иногда называется обычной материей . Например, молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) являются материей согласно этому определению, поскольку они состоят из атомов. Это определение можно расширить, включив в него заряженные атомы и молекулы, а также плазму (газы ионов) и электролиты (ионные растворы), которые, очевидно, не включены в определение атомов. В качестве альтернативы можно принять определение протонов, нейтронов и электронов .
Определение «материи» более тонкое, чем определение атомов и молекул: материя состоит из того, из чего сделаны атомы и молекулы , то есть из всего, что сделано из положительно заряженных протонов , нейтральных нейтронов и отрицательно заряженных электронов . [18] Однако это определение выходит за рамки атомов и молекул и включает вещества, сделанные из этих строительных блоков, которые не являются просто атомами или молекулами, например, электронные пучки в старом телевизоре с электронно-лучевой трубкой или вещество 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 корпускулярно-волновой дуализм. На еще более глубоком уровне протоны и нейтроны состоят из кварков и силовых полей ( глюонов ), которые связывают их вместе, что приводит к следующему определению.
Как видно из вышеприведенного 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, можно сформулировать так: «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». [19] [20] [21] Связь между этими формулировками следующая.
Лептоны (самый известный из которых — электрон ) и кварки (из которых состоят барионы , такие как протоны и нейтроны ) объединяются, образуя 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 состоят атомы и молекулы». (Однако обратите внимание, что из этих строительных блоков можно также сделать материю, которая не является атомами или молекулами.) Затем, поскольку электроны — это лептоны, а протоны и нейтроны состоят из кварков, это определение, в свою очередь, приводит к определению материи как «кварки и лептоны», которые являются двумя из четырех типов элементарных фермионов (два других — это антикварки и антилептоны, которые можно считать антиматерией, как описано ниже). Кэритерс и Грэннис утверждают: «Обычная материя полностью состоит из частиц первого поколения , а именно [верхних] и [нижних] кварков, а также электрона и его нейтрино». [20] (Частицы более высокого поколения быстро распадаются на частицы первого поколения и поэтому обычно не встречаются. [22] )
Это определение обычной материи более тонкое, чем кажется на первый взгляд. Все частицы, составляющие обычную материю (лептоны и кварки), являются элементарными фермионами, в то время как все переносчики сил являются элементарными бозонами. [23] Бозоны W и Z, которые являются посредниками слабого взаимодействия, не состоят из кварков или лептонов, и поэтому не являются обычной материей, даже если у них есть масса. [24] Другими словами, масса не является чем-то, что является исключительным для обычной материи.
Однако определение обычной материи как кварк-лептона определяет не только элементарные строительные блоки материи, но также включает в себя композиты, сделанные из составляющих (атомы и молекулы, например). Такие композиты содержат энергию взаимодействия, которая удерживает составляющие вместе, и могут составлять большую часть массы композита. Например, в значительной степени масса атома является просто суммой масс его составляющих протонов, нейтронов и электронов. Однако, копая 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. [25] Другими словами, большая часть того, что составляет «массу» обычной материи, обусловлена энергией связи кварков внутри протонов и нейтронов. [26] Например, сумма масс трех кварков в нуклоне приблизительно равна12,5 МэВ/ c2 , что мало по сравнению с массой нуклона (примерно938 МэВ/ с2 ). [27] [28] Суть в том , что большая часть массы повседневных предметов исходит из энергии взаимодействия их элементарных компонентов.
Стандартная модель группирует частицы материи в три поколения, где каждое поколение состоит из двух кварков и двух лептонов. Первое поколение - это верхние и нижние кварки, электрон и электронное нейтрино ; второе поколение включает очарованные и странные кварки, мюон и мюонное нейтрино ; третье поколение состоит из верхних и нижних кварков и тау и тау нейтрино . [29] Наиболее естественным объяснением этого было бы то, что кварки и лептоны более высоких поколений являются возбужденными состояниями первых поколений. Если это окажется так, то это будет означать, что кварки и лептоны являются составными частицами , а не элементарными частицами . [30]
Это кварк-лептонное определение материи также приводит к тому, что можно описать как законы «сохранения (чистой) материи» — обсуждаемые ниже. В качестве альтернативы можно вернуться к концепции массы-объема-пространства материи, что приводит к следующему определению, в котором антиматерия включается как подкласс материи.
Распространенное или традиционное определение материи — «все, что имеет массу и объем (занимает пространство )». [31] [32] Например, можно сказать, что автомобиль сделан из материи, поскольку он имеет массу и объем (занимает пространство).
Наблюдение, что материя занимает пространство, восходит к античности. Однако объяснение того, почему материя занимает пространство, появилось недавно, и утверждается, что это результат явления, описанного в принципе исключения Паули [33] [34] , который применяется к фермионам . Два конкретных примера, где принцип исключения явно связывает материю с занятием пространства, — это белые карлики и нейтронные звезды, которые обсуждаются ниже.
Таким образом, материю можно определить как все, что состоит из элементарных фермионов. Хотя мы не сталкиваемся с ними в повседневной жизни, антикварки (такие как антипротон ) и антилептоны (такие как позитрон ) являются античастицами кварка и лептона, также являются элементарными фермионами и обладают по сути теми же свойствами, что и кварки и лептоны, включая применимость принципа исключения Паули, который, можно сказать, не позволяет двум частицам находиться в одном и том же месте в одно и то же время (в одном и том же состоянии), т. е. заставляет каждую частицу «занимать место». Это конкретное определение приводит к тому, что материя определяется как включающая все, что состоит из этих частиц антиматерии , а также обычные кварк и лептон, и, таким образом, 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 общую массу покоя системы. [1] : 21 В теории относительности обычно более общее представление заключается в том, что это не сумма масс покоя , а тензор энергии-импульса, который количественно определяет количество материи. Этот тензор дает массу покоя для всей системы. Поэтому материя иногда рассматривается как все, что вносит вклад в энергию-импульс системы, то есть все, что не является чистой гравитацией. [35] [36] Эта точка зрения обычно поддерживается в областях, которые имеют дело с общей теорией относительности, таких как космология . Согласно этому представлению, свет и другие безмассовые частицы и поля являются частью материи.
В физике элементарных частиц фермионы — это частицы, подчиняющиеся статистике Ферми–Дирака . Фермионы могут быть элементарными, как электрон, или составными, как протон и нейтрон. В Стандартной модели существует два типа элементарных фермионов: кварки и лептоны, которые обсуждаются далее.
Кварки — это массивные частицы со спином 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, заряд электрона составляет −1 e. Они также несут цветовой заряд , который эквивалентен электрическому заряду для сильного взаимодействия . Кварки также подвергаются радиоактивному распаду , что означает, что они подвержены слабому взаимодействию .
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. Также «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 те, которые составляют белые карлики и нейтронные звезды . Микроволновый свет, наблюдаемый зондом микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP), предполагает, что только около 4,6% этой части Вселенной в пределах досягаемости лучших телескопов (то есть материи, которая может быть видима, потому что свет может дойти до нас от нее) состоит из барионной материи. Около 26,8% — это темная материя, а около 68,3% — темная энергия. [38]
Подавляющее большинство обычной материи во Вселенной невидимо, поскольку видимые звезды и газ внутри галактик и скоплений составляют менее 10 процентов вклада обычной материи в плотность массы-энергии Вселенной. [39]
Адронная материя может относиться к «обычной» барионной материи, состоящей из адронов (барионов и мезонов ), или кварковой материи (обобщение атомных ядер), т.е. к «низкотемпературной» КХД-материи . [40] Она включает в себя вырожденную материю и результат столкновений тяжелых ядер высокой энергии. [41]
В физике вырожденная материя относится к основному состоянию газа фермионов при температуре, близкой к абсолютному нулю. [42] 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 достаточно уровней, чтобы вместить все доступные фермионы, а в случае многих фермионов максимальная кинетическая энергия (называемая энергией Ферми ) и давление газа становятся очень большими и зависят от числа фермионов, а не от температуры, в отличие от нормальных состояний материи.
Считается, что вырожденная материя возникает в процессе эволюции тяжелых звезд. [43] Демонстрация Субраманьяном Чандрасекаром того, что белые карлики имеют максимально допустимую массу из-за принципа исключения, вызвала революцию в теории эволюции звезд. [44]
Вырожденная материя включает в себя 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. Она противопоставляется ядерной материи , которая представляет собой жидкость из нейтронов и протонов (которые сами состоят из верхних и нижних кварков), и нестранной кварковой материи, которая представляет собой кварковую жидкость, содержащую только верхние и нижние кварки. При достаточно высокой плотности странная материя, как ожидается, будет обладать цветовой сверхпроводимостью . Предполагается, что странная материя находится в ядре нейтронных звезд или, более спекулятивно, в виде изолированных капель, которые могут различаться по размеру от фемтометров ( странгелеты ) до километров ( кварковые звезды ).
В физике элементарных частиц и астрофизике этот термин используется в двух значениях: более широком и более конкретном.
Лептоны — это частицы со спином 1 ⁄ 2 , что означает, что они являются фермионами . Они несут электрический заряд −1 e (заряженные лептоны) или 0 e (нейтрино). В отличие от кварков, лептоны не несут цветного заряда , что означает, что они не испытывают сильного взаимодействия . Лептоны также подвергаются радиоактивному распаду, что означает, что они подвержены слабому взаимодействию . Лептоны — это массивные частицы, поэтому подвержены гравитации.
В массе вещество может существовать в нескольких различных формах или агрегатных состояниях, известных как фазы , [49] в зависимости от давления окружающей среды , температуры и объема . [50] 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 три знакомые нам состояния вещества ( твердые тела , жидкости и газы ), а также более экзотические состояния вещества (такие как плазма , сверхтекучая жидкость , сверхтвердые тела , конденсаты Бозе-Эйнштейна , ...). Жидкость может быть жидкостью, газом или плазмой. Существуют также парамагнитные и ферромагнитные фазы магнитных материалов . При изменении условий вещество может переходить из одной фазы в другую. Эти явления называются фазовыми переходами и изучаются в области термодинамики . В наноматериалах значительное увеличение отношения площади поверхности к объему приводит к тому, что вещество может проявлять свойства, совершенно отличные от свойств объемного материала, и не поддающиеся описанию какой-либо объемной фазой ( более подробную информацию см. в разделе наноматериалы ).
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).
Антиматерия — это материя, которая состоит из античастиц тех, которые составляют обычную материю. Если частица и ее античастица вступают в контакт друг с другом, они аннигилируют ; то есть они обе могут быть преобразованы в другие частицы с равной энергией в соответствии с уравнением Альберта Эйнштейна E = mc2 . Эти новые частицы могут быть высокоэнергетическими фотонами ( гамма-лучами ) или другими парами частица-античастица. Полученные частицы наделены количеством кинетической энергии, равным разнице между массой покоя продуктов аннигиляции и массой покоя исходной пары частица-античастица, которая часто довольно велика. В зависимости от того, какое определение «материи» принято, антиматерию можно назвать определенным подклассом материи или противоположностью материи.
Антиматерия не встречается на Земле в естественном виде, за исключением очень короткого времени и в исчезающе малых количествах (в результате радиоактивного распада , молнии или космических лучей ). Это связано с тем, что антиматерия, появившаяся на Земле за пределами подходящей физической лаборатории, почти мгновенно встретится с обычной материей, из которой состоит Земля, и будет уничтожена. Античастицы и некоторое стабильное антивещество (например, антиводород ) могут быть получены в крошечных количествах, но не в количестве, достаточном для того, чтобы сделать что-то большее, чем проверить несколько его теоретических свойств.
В науке и 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 состоят ли другие места почти полностью из антиматерии (антикварков и антилептонов). В ранней вселенной считается, что материя и антиматерия были представлены в равной степени, и исчезновение антиматерии требует асимметрии в физических законах, называемой нарушением симметрии CP (заряд-четность) , которое можно получить из Стандартной модели [51], но в настоящее время кажущаяся асимметрия материи и антиматерии в видимой вселенной является одной из величайших нерешенных проблем в физике . Возможные процессы, посредством которых это произошло, более подробно изучаются в бариогенезисе .
Формально частицы антиматерии можно определить по их отрицательному барионному числу или лептонному числу , в то время как «нормальные» (не антиматерия) частицы материи имеют положительное барионное или лептонное число. [52] Эти два класса частиц являются античастицами-партнерами друг друга.
В октябре 2017 года ученые сообщили о дополнительных доказательствах того, что материя и антиматерия , в равной степени созданные при Большом взрыве , идентичны, должны полностью уничтожить друг друга и, как следствие, Вселенная не должна существовать. [53] Это подразумевает, что должно быть что-то, пока неизвестное ученым, что либо остановило полное взаимное уничтожение материи и антиматерии в ранней формирующейся Вселенной, либо привело к дисбалансу между двумя формами.
Две величины, которые могут определять количество материи в кварк-лептонном смысле (и антиматерию в антикварк-антилептонном смысле), барионное число и лептонное число , сохраняются в Стандартной модели. Барион, такой как протон или нейтрон, имеет барионное число, равное единице, а кварку, поскольку в барионе их три, дается барионное число, равное 1/3. Таким образом, чистое количество материи, измеряемое числом кварков (за вычетом числа антикварков, каждый из которых имеет барионное число, равное −1/3), которое пропорционально барионному числу, и число лептонов (за вычетом антилептонов), которое называется лептонным числом, практически невозможно изменить в каком-либо процессе. Даже в ядерной бомбе ни один из барионов (протонов и нейтронов, из которых состоят атомные ядра) не уничтожается — после реакции остается столько же барионов, сколько и до нее, поэтому ни одна из этих частиц материи фактически не уничтожается и даже не преобразуется в нематериальные частицы (например, фотоны 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.) ядрами. Даже при электронно-позитронной аннигиляции нет уничтожения чистой материи, потому что изначально перед аннигиляцией была нулевая чистая материя (нулевое общее лептонное число и барионное число) — один лептон минус один антилептон равняется нулевому чистому лептонному числу — и это чистое количество материи не меняется, поскольку оно просто остается нулевым после аннигиляции. [54]
Короче говоря, материя, как она определена в физике, относится к барионам и лептонам. Количество материи определяется в терминах барионного и лептонного числа. Барионы и лептоны могут быть созданы, но их создание сопровождается антибарионами или антилептонами; и они могут быть уничтожены путем их аннигиляции с антибарионами или антилептонами. Поскольку антибарионы/антилептоны имеют отрицательное барионное/лептонное число, общее барионное/лептонное число не изменяется, поэтому материя сохраняется. Однако барионы/лептоны и антибарионы/антилептоны все имеют положительную массу, поэтому общее количество массы не сохраняется. Кроме того, за исключением естественных или искусственных ядерных реакций, во Вселенной почти нет антиматерии, доступной в целом (см. барионную асимметрию и лептогенез ), поэтому аннигиляция частиц редка в нормальных обстоятельствах.
Круговая диаграмма, показывающая доли энергии во Вселенной, вносимые различными источниками. Обычная материя делится на светящуюся материю (звезды и светящиеся газы и 0,005% излучения) и несветящуюся материю (межгалактический газ и около 0,1% нейтрино и 0,04% сверхмассивных черных дыр). Обычная материя встречается редко. Смоделирована по Острайкеру и Стейнхардту. [55] Для получения дополнительной информации см. NASA.
Обычная материя, в определении кварков и лептонов, составляет около 4% энергии наблюдаемой вселенной . Оставшаяся энергия теоретически обусловлена экзотическими формами, из которых 23% — это темная материя [56] [57] и 73% — темная энергия . [58] [59]
.svg/1280px-Rotation_curve_(Milky_Way).svg.png)
В астрофизике и космологии темная материя — это материя неизвестного состава, которая не испускает и не отражает достаточного количества электромагнитного излучения, чтобы ее можно было наблюдать напрямую, но присутствие которой можно вывести из гравитационных эффектов на видимую материю. [ 63] [64] Наблюдательные свидетельства ранней Вселенной и теории Большого взрыва требуют, чтобы эта материя имела энергию и массу, но не состояла из обычных барионов (протонов и нейтронов). Общепринятое мнение заключается в том, что большая часть темной материи имеет небарионную природу . [63] Таким образом, она состоит из частиц, пока не наблюдавшихся в лабораторных условиях. Возможно, это суперсимметричные частицы , [65] которые не являются частицами Стандартной модели , а реликтами, образовавшимися при очень высоких энергиях на ранней стадии Вселенной и все еще плавающими вокруг. [63]
В космологии темная энергия — это название источника отталкивающего влияния, ускоряющего скорость расширения Вселенной . Ее точная природа в настоящее время остается загадкой, хотя ее эффекты можно разумно смоделировать, приписав самому вакууму свойства, подобные свойствам материи, такие как плотность энергии и давление . [ 66 ] [67]
Целых 70% плотности материи во Вселенной, по-видимому, находится в форме темной энергии. Двадцать шесть процентов — это темная материя. Только 4% — это обычная материя. Таким образом, менее 1 части из 20 состоит из материи, которую мы наблюдали экспериментально или описали в стандартной модели физики элементарных частиц. Об остальных 96%, кроме только что упомянутых свойств, мы не знаем абсолютно ничего.
— Ли Смолин (2007), Проблемы с физикой , стр. 16
Экзотическая материя — это концепция физики элементарных частиц , которая может включать темную материю и темную энергию, но идет дальше, включая 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 буддийская , индуистская и джайнская философские традиции утверждали, что материя состоит из атомов ( параману , пудгала ), которые «вечные, неразрушимые, не имеющие частей и бесчисленные», и которые связаны или разъединены, образуя более сложную материю в соответствии с законами природы . [ 6] Они соединили свои идеи души или ее отсутствия в свою теорию материи. Самыми сильными разработчиками и защитниками этой теории были школа Ньяя - Вайшешика , причем идеи индийского философа Канады были наиболее популярными. [6] [7] Буддийские философы также развивали эти идеи в конце 1-го тысячелетия н. э., идеи, которые были похожи на идеи школы Вайшешика, но которые не включали в себя душу или совесть. [6] Джайнские философы включали душу ( джива ), добавляя такие качества, как вкус, запах, осязание и цвет к каждому атому. [68] 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 того, что атомы объединяются из-за притяжения противоположностей, и душа прикрепляется к этим атомам, трансформируется с остатком кармы и переселяется с каждым перерождением . [6]
В Древней Греции досократовские философы размышляли о глубинной природе 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: Бесконечность ( апейрон ). Анаксимен (расцвет творчества 585 г. до н. э., ум. 528 г. до н. э.) утверждал, что основным веществом была пневма или воздух. Гераклит (ок. 535 г. до н. э. – ок. 475 г. до н. э.), по-видимому, говорил, что основным элементом является огонь, хотя, возможно, он имел в виду, что все есть изменение. Эмпедокл (ок. 490–430 г. до н. э.) говорил о четырех элементах , из которых все было создано: земля, вода, воздух и огонь. [69] 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 . Все эти понятия имели глубокие философские проблемы. [70]
Аристотель (384–322 до н.э.) был первым, кто положил концепцию на прочную философскую основу, что он и сделал в своей естественной философии, особенно в книге Физики I. [71] Он принял в качестве разумных предположений четыре элемента Эмпедокла , но добавил пятый, эфир . Тем не менее, эти элементы не являются основными в сознании Аристотеля. Скорее они, как и все остальное в видимом мире, состоят из основных принципов материи и формы.
Ибо мое определение материи таково: это первичный субстрат каждой вещи, из которого она возникает без каких-либо ограничений и который сохраняется в результате.
— Аристотель, Физика I:9:192a32
Слово, которое Аристотель использует для материи, ὕλη ( hyle или hule ) , можно буквально перевести как дерево или древесина, то есть «сырье» для строительства. [72] Действительно, концепция материи Аристотеля неразрывно связана с чем-то, что делается или составляется. Другими словами, в отличие от ранней современной концепции материи как простого занятия пространства, 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 некоторый ее аспект — ее материя — сохраняется. Материя не описывается конкретно (например, как атомы ), но состоит из всего, что сохраняется в изменении субстанции 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 как очень похожие на отношения между частями и целым. Для Аристотеля материя как таковая может получать действительность только от формы; она не имеет никакой активности или действительности сама по себе, подобно тому, как части как таковые имеют свое существование только в целом (иначе они были бы независимыми целыми).
Французский философ Рене Декарт (1596–1650) создал современную концепцию материи. Он был в первую очередь геометром. В отличие от Аристотеля, который выводил существование материи из физической реальности изменения, Декарт произвольно постулировал материю как абстрактную, математическую субстанцию, которая занимает пространство:
Итак, протяженность в длину, ширину и глубину составляет природу телесной субстанции; а мысль составляет природу мыслящей субстанции. И все остальное, приписываемое телу, предполагает протяженность и является лишь модусом протяженной вещи.
— Рене Декарт, «Основания философии» [73]
Для Декарта материя имеет только свойство протяженности, поэтому ее единственная деятельность помимо передвижения — это исключение других тел: [74] это механистическая философия . Декарт проводит абсолютное различие между разумом, который он определяет как непротяженную, мыслящую субстанцию, и материей, которую он определяет как немыслящую, протяженную субстанцию. [75] Они являются независимыми вещами. Напротив, Аристотель определяет материю и формальный/формирующий принцип как взаимодополняющие 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 потенциальным независимым существованием), но Декарт возвышает материю до фактической независимой вещи самой по себе.
Примечательны преемственность и различие между концепциями Декарта и Аристотеля. В обеих концепциях материя пассивна или инертна. В соответствующих концепциях материя имеет разные отношения к интеллекту. Для Аристотеля материя и интеллект (форма) существуют вместе во взаимозависимых отношениях, тогда как для Декарта материя и интеллект (разум) являются по определению противоположными, независимыми субстанциями . [76]
Оправданием Декарта для ограничения неотъемлемых качеств материи протяженностью является ее постоянство, но его настоящим критерием является не постоянство (которое в равной степени применимо к цвету и сопротивлению), а его желание использовать геометрию для объяснения всех материальных свойств. [77] Подобно Декарту, Гоббс, Бойль и Локк утверждали, что неотъемлемые свойства тел ограничены протяженностью, и что так называемые вторичные качества, такие как цвет, являются лишь продуктами человеческого восприятия. [78]
Английский философ Исаак Ньютон (1643–1727) унаследовал механистическую концепцию материи Декарта. В третьем из своих «Правил рассуждения в философии» Ньютон перечисляет универсальные качества материи, такие как «протяженность, твердость, непроницаемость, подвижность и инертность». [79] Аналогичным образом в «Оптике » он предполагает, что Бог создал материю как «твердые, массивные, твердые, непроницаемые, подвижные частицы», которые были «...даже настолько твердыми, что никогда не изнашивались и не ломались на куски». [80] «Первичные» свойства материи поддавались математическому описанию, в отличие от «вторичных» качеств, таких как цвет или вкус. Подобно Декарту, Ньютон отвергал существенную природу вторичных качеств. [81]
Ньютон развил понятие материи Декарта, восстановив внутренние свойства материи в дополнение к протяженности (по крайней мере, на ограниченной основе), такие как масса. Использование Ньютоном силы тяготения, которая действовала «на расстоянии», фактически отвергло механику Декарта, в которой взаимодействия происходили исключительно посредством контакта. [82]
Хотя гравитация Ньютона, казалось бы, является силой тел, сам Ньютон не признавал ее существенным свойством материи. Продолжая логику более последовательно, Джозеф Пристли (1733–1804) утверждал, что телесные свойства превосходят контактную механику: химические свойства требуют способности к притяжению. [82] Он утверждал, что материя имеет и другие присущие ей силы, помимо так называемых первичных качеств Декарта и др. [83]
Со времен Пристли произошло значительное расширение знаний о составляющих материального мира (а именно, молекулах, атомах, субатомных частицах). В 19 веке, после разработки периодической таблицы и атомной теории , атомы рассматривались как фундаментальные составляющие материи; атомы образовывали молекулы и соединения . [84]
Общее определение в терминах занимания пространства 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 быстро развиваться.
Аспекты ньютоновского взгляда все еще сохраняли свое влияние. Джеймс Клерк Максвелл обсуждал материю в своей работе «Материя и движение » . [85] Он тщательно отделяет «материю» от пространства и времени и определяет ее в терминах объекта, упомянутого в первом законе движения Ньютона .
Однако ньютоновская картина не была всей историей. В 19 веке термин «материя» активно обсуждался множеством ученых и философов, и краткий обзор можно найти у Левера. [86] [ необходимо дальнейшее объяснение ] Обсуждение в учебнике 1870 года предполагает, что материя — это то, что состоит из атомов: [87]
В науке признаются три подразделения материи: массы, молекулы и атомы.
Масса материи — это любая часть материи, воспринимаемая органами чувств.
Молекула — это наименьшая частица материи, на которую можно разделить тело, не теряя его идентичности.
Атом — это еще меньшая частица, полученная путем деления молекулы.
Вместо того, чтобы просто иметь атрибуты массы и занимать пространство, считалось, что материя имеет химические и электрические свойства. В 1909 году известный физик Дж. Дж. Томсон (1856–1940) писал о «составе материи» и был обеспокоен возможной связью между материей и электрическим зарядом. [88]
В конце 19 века с открытием электрона и в начале 20 века с открытием атомного ядра в эксперименте Гейгера-Марсдена и рождением физики элементарных частиц материя рассматривалась как состоящая из электронов, протонов и нейтронов, взаимодействующих с образованием атомов. Затем появилась целая литература о «структуре материи», начиная от «электрической структуры» в начале 20 века [89] и заканчивая более поздней «кварковой структурой материи», представленной еще в 1992 году Якобом с замечанием: «Понимание кварковой структуры материи стало одним из важнейших достижений современной физики». [90] [ необходимо дальнейшее объяснение ] В этой связи физики говорят о полях материи и говорят о частицах как о «квантовых возбуждениях моды поля материи». [10] [11] А вот цитата из де Саббаты и Гасперини: «Словом «материя» мы обозначаем в этом контексте источники взаимодействий, то есть спинорные поля (вроде кварков и лептонов ), которые считаются фундаментальными компонентами материи, или скалярные поля , вроди частиц Хиггса , которые используются для введения массы в калибровочной теории (и которые, однако, могут состоять из более фундаментальных фермионных полей )». [91] [ необходимы дополнительные пояснения ]
Однако протоны и нейтроны не являются неделимыми: их можно разделить на кварки . А электроны являются частью семейства частиц, называемых лептонами . И кварки, и лептоны являются элементарными частицами , и в 2004 году авторы студенческого текста рассматривали их как фундаментальные составляющие материи. [92]
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 десятилетия усилий, гравитацию пока невозможно объяснить на квантовом уровне; она описывается только классической физикой (см. квантовая гравитация и гравитон ) [93] к разочарованию теоретиков, таких как Стивен Хокинг . Взаимодействия между кварками и лептонами являются результатом обмена частицами, переносящими силу, такими как фотоны, между кварками и лептонами. [94] Частицы, переносящие силу, сами по себе не являются строительными блоками. Как одно из следствий, 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). [ необходима цитата ] Обычно переносчики силы не считаются материей: переносчики электрической силы (фотоны) обладают энергией (см. соотношение Планка ), а переносчики слабого взаимодействия ( W- и Z-бозоны ) имеют массу, но ни один из них не считается материей. [95] Однако, хотя эти кванты не считаются материей, они вносят вклад в общую массу атомов, субатомных частиц и всех систем, которые их содержат. [96] [97]
Современная концепция материи много раз совершенствовалась в истории в свете улучшения знаний о том, что такое основные строительные блоки и как они взаимодействуют. Термин «материя» используется в физике в самых разных контекстах: например, упоминается « физика конденсированного состояния », [98] «элементарная материя», [99] « партонная » материя, « темная » материя, « анти »-материя, « странная » материя и « ядерная » материя. В обсуждениях материи и антиматерии первая упоминалась Альфвеном как koinomatter (греч. обычная материя ). [100] Справедливо будет сказать, что в физике нет широкого консенсуса относительно общего определения материи, и термин «материя» обычно используется в сочетании с уточняющим модификатором.
История концепции материи — это история фундаментальных шкал длины, используемых для определения материи. Различные строительные блоки применяются в зависимости от того, определяется ли материя на уровне атомов 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 мы хотим определить материю. [101]
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 десятилетия усилий, гравитацию пока невозможно объяснить на квантовом уровне; она описывается только классической физикой (см. квантовая гравитация и гравитон ). [93]
поле материи.
Обычная материя полностью состоит из частиц первого поколения, а именно u- и d-кварков, а также электрона и его нейтрино.
(Из аннотации:)
Положительные барионные числа (A>0) и положительные лептонные числа (L>0) характеризуют частицы материи, тогда как отрицательные барионные числа и отрицательные лептонные числа характеризуют частицы антиматерии. Частицы материи и частицы антиматерии принадлежат 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 частиц антиматерии), 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 антиматерии, античастица частицы антиматерии принадлежит к классу частиц материи.
[С]амое естественное объяснение существования высших поколений кварков и лептонов состоит в том, что они соответствуют возбужденным состояниям первого поколения, а опыт подсказывает, что возбужденные системы должны быть составными.
Все учебники по фундаментальным наукам определяют материю просто как совокупность всех материальных субстанций, которые занимают пространство и имеют массу или вес.
Поля материи:
поля, кванты которых описывают элементарные частицы, составляющие материальное содержимое Вселенной (в отличие от гравитонов и их суперсимметричных партнеров).
(Из аннотации:)
Частицы антиматерии характеризуются отрицательным барионным числом A или/и отрицательным лептонным числом L. Материализация и аннигиляция подчиняются закону сохранения A и L (связанному со всеми известными взаимодействиями)
(Из аннотации:)
Сохранение материи меланс сохранение барионного числа A и лептонного числа L, A и L являются алгебраическими числами. Положительные A и L связаны с частицами материи, отрицательные A и L связаны с частицами антиматерии. Все известные взаимодействия сохраняют материю
