Материя (физика)

Что такое материя?

На протяжении многих веков понятие материи менялось и совершенствовалось. Так, древнегреческий философ Платон видел её как субстрат вещей, который противостоит их идее. Аристотель же говорил, что это нечто вечное, что не может быть ни сотворено, ни уничтожено. Позже философы Демокрит и Левкипп дали определение материи как некой основополагающей субстанции, из которой состоят все тела в нашем мире и во Вселенной.

Современное понятие материи дал В. И. Ленин, согласно которому она является самостоятельной и независимой объективной категорией, выражаемой человеческим восприятием, ощущениями, она также может быть скопирована и сфотографирована.

Основные виды материи

Основная статья: Формы материи

• Вещество:
  • Адронное вещество — его структурой является множество составных частиц: адронов.
    • Барионное вещество (барионная материя) — вещество состоящее из барионов

      Вещество в классическом понимании. Состоит преимущественно из фермионов. Эта форма материи доминирует в Солнечной системе и в ближайших звёздных системах.

      .

  • Антивещество — состоит из античастиц.
  • Нейтронное вещество — состоит преимущественно из нейтронов и лишено атомного строения. Основной компонент нейтронных звёзд, существенно более плотный, чем обычное вещество, но менее плотный, чем кварк-глюонная плазма.
  • Другие виды веществ, имеющих атомоподобное строение (например, вещество, образованное мезоатомами с мюонами).
  • Кварк-глюонная плазма — сверхплотная форма вещества, существовавшая на ранней стадии эволюции Вселенной до объединения кварков в классические элементарные частицы (до конфайнмента).
  • Гипотетические докварковые сверхплотные материальные образования, составляющие которых — струны и другие объекты, c которыми оперируют теории великого объединения (см. теория струн, теория суперструн). Основные формы материи, предположительно существовавшие на ранней стадии эволюции Вселенной. Струноподобные объекты в современной физической теории претендуют на роль наиболее фундаментальных материальных образований, к которым можно свести все элементарные частицы, то есть в конечном счёте, все известные формы материи. Данный уровень анализа материи, возможно, позволит объяснить с единых позиций свойства различных элементарных частиц. Принадлежность к «веществу» здесь следует понимать условно, поскольку различие между вещественной и полевой формами материи на данном уровне стирается.

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

• Поле (в классическом смысле):
  • Электромагнитное поле.
  • Гравитационное поле.

Квантовые поля различной природы. Согласно современным представлениям квантовое поле является универсальной формой материи, к которой могут быть сведены как вещества, так и классические поля, при этом существует нечёткое разделение на вещественные поля (лептонные и кварковые поля фермионной природы) и поля взаимодействий (глюонные сильные, промежуточные бозонные слабые и фотонное электромагнитное поля бозонной природы, сюда же относят пока гипотетическое поле гравитонов). Особняком среди них стоит поле Хиггса, которое сложно отнести однозначно к любой из этих категорий.

• Материальные объекты неясной физической природы:
  • Тёмная материя.
  • Тёмная энергия.

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

Структурирование Вселенной

Вот что произошло за 14 миллиардов лет.

В последующие несколько миллиардов лет более плотные регионы почти равномерно распределенной во Вселенной материи начали притягиваться друг к другу. В результате этого они стали еще плотнее, начали образовывать облака газа, звезды, галактики и другие астрономические структуры, за которыми мы можем наблюдать в настоящее время. Этот период носит название иерархической эпохи. В это время та Вселенная, которую мы видим сейчас, начала приобретать свою форму. Материя начала объединяться в структуры различных размеров — звезды, планеты, галактики, галактические скопления, а также галактические сверхскопления, разделенные межгалактическими перемычками, содержащими всего лишь несколько галактик.

Детали этого процесса могут быть описаны согласно представлению о количестве и типе материи, распределенной во Вселенной, которая представлена в виде холодной, теплой, горячей темной материи и барионного вещества. Однако современной стандартной космологической моделью Большого взрыва является модель Лямбда-CDM, согласно которой частицы темной материи двигаются медленнее скорости света. Выбрана она была потому, что решает все противоречия, которые появлялись в других космологических моделях.

Согласно этой модели на холодную темную материю приходится около 23 процентов всей материи/энергии во Вселенной. Доля барионного вещества составляет около 4,6 процента. Лямбда-CDM ссылается на так называемую космологическую постоянную: теорию, предложенную Альбертом Эйнштейном, которая характеризует свойства вакуума и показывает соотношение баланса между массой и энергией как постоянную статичную величину. В этом случае она связана с темной энергией, которая служит в качестве акселератора расширения Вселенной и поддерживает гигантские космологические структуры в значительной степени однородными.

Элементарные частицы и поля

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц, и теории, описывающие их взаимодействия. В поле элементарных частиц слева — фермионы, справа — бозоны. (Изображение интерактивно.)

Среди элементарных частиц, составляющих вещества и поля, выделяют фермионы и бозоны, а также частицы, обладающие и не обладающие (безмассовые частицы), могут различаться электрическим и другими зарядами. Кроме того, отдельно выделяют виртуальные частицы, которые можно рассматривать как частицы, возникающие в промежуточных состояниях взаимодействия «реальных» элементарных частиц, отличающихся тем, что они могут наблюдаться в долгоживущем состоянии в итоге эксперимента (в принципе, частицы одного и того же вида, например, фотоны или электроны, могут в одних ситуациях участвовать как виртуальные, а в других — как реальные). Отличие виртуальных частиц в том, что они рождаются и уничтожаются (поглощаются) в процессе взаимодействия и не присутствуют в эксперименте в начальном и конечном состоянии. Виртуальные частицы определяют свойства физического вакуума, который, таким образом, в современной физике также приобретает атрибуты материальной среды.

Прогнозы на будущее

Вследствие того, что Вселенная имеет собственную точку начала, у ученых периодически создаются гипотезы относительно того, что когда-нибудь появится и та точка, которая прекратит ее существование. Также физиков и астрономов интересует вопрос, касающийся расширения Вселенной всего из одной точки, они даже строят прогнозы на предмет того, что она может расширяться еще больше. Или же и вовсе однажды может произойти обратный процесс, в безграничном пространстве по неизвестным причинам может прекратить действовать экспансивная сила, вследствие чего может произойти обратный процесс, заключающийся в сжатии.В 1990-х годах в качестве основной модели развития Вселенной была принята теория Большого взрыва, именно тогда же примерно и были разработаны два основных пути дальнейшего существования космического безграничного пространства.

1. Большое сжатие. В один момент Вселенная может достигнуть максимального пика в виде огромного размера, а потом начнется ее разрушение. Подобный вариант развития станет возможным только в том случае, когда плотность массы Вселенной будет больше, чем ее критическая плотность.

2. В данном случае будет происходить иная картина действий: плотность приравняется или даже станет ниже критический. Итог – замедление расширения, которое никогда не остановится. Этот вариант был назван тепловой смертью Вселенной. Расширение будет длиться до тех времен, пока звездообразованиями не перестанет активно потребляться газ, находящийся внутри близлежащих галактик. В таком случае произойдет следующее: от энергии и материи просто-напросто прекратится передача от одного космического объекта к другому. Всех звезд, которые невооруженным взглядом можно лицезреть каждые вечер и ночь на небосводе, постигнет одна и та же печальная участь: они станут не чем иным, как белым карликом, черной дырой либо же нейтронной звездой. Черные дыры всегда представляли неприятность не только для космологов. Новообразованные дыры будут соединяться с собой, образовывая себе подобные же объекты гораздо большего размера. Между тем показатель средней температуры в безграничном пространстве может достичь отметки в 0. Следствием данной ситуации станет абсолютное испарение черных дыр, которые напоследок начнут выдавать в окружающую среду излучение Хокигнга. Завершающим этапом в данном случае будет тепловая смерть.Современные ученые проводят огромное количество исследований, касающихся не только существования темной энергии, но и ее непосредственного влияния на расширение космического пространства. В ходе проведения своих исследований они в свою очередь установили, что расширение Вселенной происходит настолько быстрыми темпами, что скоро человечество даже не будет и знать, насколько безграничным на самом деле является безграничное пространство. Конечно же, по какому именно дальнейшему пути развития может пойти планета, умы ученых мужей даже и представить себе не могут. Они лишь прогнозируют результат, обосновывая свой выбор теми или иными критериями. Однако, многие из светил предрекают безграничному пространству такой конец, как тепловая смерть, считая его наиболее вероятным.

Также в научной среде бытует мнение, что все планеты, ядра атомов, атомы, материя и звезды будут в далеком будущем сами собой разрываться, что приведет к большому разрыву. Это еще один вариант гибели Вселенной, однако, он формируется на расширении.

Формы движения материи

Основная статья: Движение (философия)

Формы движения материи — основные типы движения и взаимодействия материальных объектов, выражающие их целостные изменения. Каждому телу присуще не одна, а ряд форм материального движения. В современной науке выделяются три основные группы, которые в свою очередь имеют множество своих специфических форм движения:

1. в неорганической природе,
   • пространственное перемещение;
   • движение элементарных частиц и полей — электромагнитные, гравитационные, сильные и слабые взаимодействия, процессы превращения элементарных частиц и др.;
   • движение и превращение атомов и молекул, включающее в себя химические реакции;
   • изменения в структуре макроскопических тел — тепловые процессы, изменение агрегатных состояний, звуковые колебания и другое;
   • геологические процессы;
   • изменение космических систем различных размеров: планет, звёзд, галактик и их скоплений.;
2. в живой природе,
   • обмен веществ,
   • саморегуляция, управление и воспроизводство в биоценозах и других экологических системах;
   • взаимодействие всей биосферы с природными системами Земли;
   • внутриорганизменные биологические процессы, направленные на обеспечение сохранения организмов, поддержание стабильности внутренней среды в меняющихся условиях существования;
   • надорганизменные процессы выражают отношения между представителями различных видов в экосистемах и определяют их численность, зону распространения (ареал) и эволюцию.
3. в обществе,
   • многообразные проявления сознательной деятельности людей;
   • все высшие формы отражения и целенаправленного преобразования действительности.

Более высокие формы движения материи исторически возникают на основе относительно низших и включают их в себя в преобразованном виде[источник не указан 1640 дней]. Между ними существует единство и взаимное влияние. Но высшие формы движения качественно отличны от низших и несводимы к ним[источник не указан 1640 дней]. Раскрытие материальных взаимоотношений имеет огромное значение для понимания единства мира, исторического развития материи, для познания сущности сложных явлений и практического управления ими. (Следует пояснить, что трактовка последней группы как социальной формы движения материи также даётся с точки зрения диалектического материализма.)

Материя это волны или частицы? Масса или энергия?

Для нас это все не важно: и волны, и частицы, и масса, и энергия, если только мы не придаем им духовной сущности (не утверждаем, что они наделены сознанием, мышлением, эмоциональностью и т.д.), в философском смысле суть не более чем формы материи. То же самое относится тому, что физики окрестили антиматерией: достаточно признать, что она не является духовной сущностью, как она становится такой же материальной, как все остальное

Следовательно, ошибочно давать философское определение материи посредством физических характеристик (материя это то, что сохраняется; то, что можно потрогать; то, что имеет прочность, форму, массу и т.д.). Это, разумеется, не так, и не зря сегодня так велико, а может быть, велико как никогда, число физиков, придерживающихся течения мысли, которое Бернар д’Эспанья и другие философы объявили устаревшим. Истина заключается в том, что философская идея материи основывается не столько на том, чем она является (это в значительно большей степени проблема естественных наук, чем философии), сколько на том, чем она не является (духом, мышлением). Это проблема определения, а не сущности, состава или структуры: воздушный поток не менее материален, чем скала; волна — не менее, чем частица; энергия — не менее, чем масса. И мысль, рождающаяся в человеческом мозгу, не менее материальна, чем сам этот мозг.

Итак, материя это все, что существует независимо от духа или мышления, включая (для материалиста) дух и мышление. Мы знаем, что мышление может существовать, не осмысливая себя, а в каждом из нас даже и помимо нашей воли (попробуйте-ка перестать думать). Из этого следует, что дух это не субстанция, но действие; что всякое мышление предполагает наличие тела (например, мозга), в котором оно осуществляется; наконец, что и само тело зависит от материи, из которой оно состоит и которая сама мыслить не может.

Физический вакуум

В XX веке в физике как компромисс между материалистами и идеалистами для объяснения некоторых явлений появился термин «физический вакуум». Первые приписывали ему материальные свойства, а вторые утверждали, что вакуум — это не что иное, как пустота. Современная физика опровергла суждения идеалистов и доказала, что вакуум – это материальная среда, также получившая название квантового поля. Число частиц в нём приравнивается к нулю, что, однако, не препятствует кратковременному возникновению частиц в промежуточных фазах. В квантовой теории уровень энергии физического вакуума условно принимается за минимальный, то есть равный нулю. Однако экспериментально доказано, что энергетическое поле может принимать как отрицательные, так и положительные заряды. Существует гипотеза, что Вселенная возникла именно в условиях возбуждённого физического вакуума.

До сих пор не до конца изучена структура физического вакуума, хотя и известны многие его свойства. Согласно дырочной теории Дирака, квантовое поле состоит из движущихся квантов с одинаковыми зарядами, неясным остаётся состав самих квантов, скопления которых перемещаются в виде волновых потоков.

Основные виды материи

Основная статья: Формы материи

• Вещество:
  • Адронное вещество — его структурой является множество составных частиц: адронов.
    • Барионное вещество (барионная материя) — вещество состоящее из барионов

      Вещество в классическом понимании. Состоит преимущественно из фермионов. Эта форма материи доминирует в Солнечной системе и в ближайших звёздных системах.

      .

  • Антивещество — состоит из античастиц.
  • Нейтронное вещество — состоит преимущественно из нейтронов и лишено атомного строения. Основной компонент нейтронных звёзд, существенно более плотный, чем обычное вещество, но менее плотный, чем кварк-глюонная плазма.
  • Другие виды веществ, имеющих атомоподобное строение (например, вещество, образованное мезоатомами с мюонами).
  • Кварк-глюонная плазма — сверхплотная форма вещества, существовавшая на ранней стадии эволюции Вселенной до объединения кварков в классические элементарные частицы (до конфайнмента).
  • Гипотетические докварковые сверхплотные материальные образования, составляющие которых — струны и другие объекты, c которыми оперируют теории великого объединения (см. теория струн, теория суперструн). Основные формы материи, предположительно существовавшие на ранней стадии эволюции Вселенной. Струноподобные объекты в современной физической теории претендуют на роль наиболее фундаментальных материальных образований, к которым можно свести все элементарные частицы, то есть в конечном счёте, все известные формы материи. Данный уровень анализа материи, возможно, позволит объяснить с единых позиций свойства различных элементарных частиц. Принадлежность к «веществу» здесь следует понимать условно, поскольку различие между вещественной и полевой формами материи на данном уровне стирается.

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

• Поле (в классическом смысле):
  • Электромагнитное поле.
  • Гравитационное поле.

Квантовые поля различной природы. Согласно современным представлениям квантовое поле является универсальной формой материи, к которой могут быть сведены как вещества, так и классические поля, при этом существует нечёткое разделение на вещественные поля (лептонные и кварковые поля фермионной природы) и поля взаимодействий (глюонные сильные, промежуточные бозонные слабые и фотонное электромагнитное поля бозонной природы, сюда же относят пока гипотетическое поле гравитонов). Особняком среди них стоит поле Хиггса, которое сложно отнести однозначно к любой из этих категорий.

• Материальные объекты неясной физической природы:
  • Тёмная материя.
  • Тёмная энергия.

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

Элементарные частицы и поля

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц, и теории, описывающие их взаимодействия. В поле элементарных частиц слева — фермионы, справа — бозоны. (Изображение интерактивно.)

Среди элементарных частиц, составляющих вещества и поля, выделяют фермионы и бозоны, а также частицы, обладающие и не обладающие (безмассовые частицы), могут различаться электрическим и другими зарядами. Кроме того, отдельно выделяют виртуальные частицы, которые можно рассматривать как частицы, возникающие в промежуточных состояниях взаимодействия «реальных» элементарных частиц, отличающихся тем, что они могут наблюдаться в долгоживущем состоянии в итоге эксперимента (в принципе, частицы одного и того же вида, например, фотоны или электроны, могут в одних ситуациях участвовать как виртуальные, а в других — как реальные). Отличие виртуальных частиц в том, что они рождаются и уничтожаются (поглощаются) в процессе взаимодействия и не присутствуют в эксперименте в начальном и конечном состоянии. Виртуальные частицы определяют свойства физического вакуума, который, таким образом, в современной физике также приобретает атрибуты материальной среды.

Вещество[править]

Основная статья: Вещество

Краткий обзор различных семейств элементарных частиц и , и теории, описывающие их взаимодействия. Фермионы — слева, бозоны — справа. (пункты на картинке кликабельны)

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

Определение массыправить

Основная статья: Масса

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

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

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

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

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

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

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

В СТО: \(m = \sqrt{p_i^2} = \sqrt{E^2 — \mathbf{p}^2}\).

В ОТО: \(m = \sqrt{g_{ik}p^i p^k}\).

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

Термин

Научный метод – обнаружение знаний о мире, основанное на гипотезах, их эмпирическом тестировании и разработке теорий, которые лучше всего смогут объяснить полученные данные.

Физика – естественная наука, исследующая материю и ее движение сквозь пространство и время, а также связанные с этим понятия (энергия и сила). Если говорить более объемно, то это попытка разобраться в поведении Вселенной через изучение природы.

Для того, чтобы раскрыть главные принципы, определяющие свет и материю, а также выявить последствия, физика применяет научный метод. Есть мнение, что Вселенная упорядоченная, а значит следует конкретным законам, часть которых можно исследовать. Более того, эти законы можно использовать, чтобы предсказать вселенское будущее. Но для этого нужно получить полную информацию о свете и материи.

GPS вычисляет скорость объекта, заданную дистанцию и время, необходимое для ее преодоления. Все это основывается на уравнениях, выведенных из физических законов

Как выглядит определение материи в физике? Под материей понимают все, что обладает объемом и массой. Среди концепций можно встретить множество теорий и законов, пытающихся объяснить саму материю и ее перемещение. К примеру, можно взять закон сохранения массы, который говорит, что массу нельзя создать или уничтожить. Понятно, что последующие анализы и эксперименты будут учитывать этот закон, чтобы расшифровать природные явления.

Физика настроена на то, чтобы описать все вокруг себя. Это начинается с перемещения невидимых нами частиц и движения как человека, так и крупных формирований. Фактически, буквально все можно описать при помощи физики.

Например, смартфон. Физика способна объяснить, как электричество функционирует в различных схемах устройства. Благодаря этому инженеры могут подбирать нужные материалы и следовать по четкой структуре. А как насчет GPS? Физические законы описывают связь между скоростью объекта, дистанцией его прохода и необходимым временем. GPS в вашем автомобиле или телефоне использует физические уравнения для вычисления времени, необходимого для того, чтобы добраться из одной точки в другую. Так что знание физики сильно влияет на развитие технологий.