Частенько, читаючи статті про Всесвіт або про фізику частинок, можна зустріти фразу, згадується «матерію і енергію» так, ніби вони - дві протилежності, або два партнера, або дві сторони однієї монети, або два класи, з яких складається все інше. Це спливає в багатьох контекстах. Іноді можна побачити, як поетично описують Великий вибух як моменту виникнення всієї «матерії і енергії» Всесвіту. Можна прочитати, що «матерія й антиматерія анігілюють в чисту енергію». І звичайно, згадаємо дві найбільших загадки астрономії - «темна матерія» та «темна енергія».
• Матерія і енергія не належать до одного класу понять і не повинні утворювати в уявленні людини якусь пару.
• Матерія - термін неоднозначний. Для неї існує кілька різних визначень, що використовуються як в науковій літературі, так і в науково-популярній. Кожне визначення охоплює певну підмножину частинок. Тобто, матерія - це завжди якась речовина, але яке саме - залежить від контексту.
• Енергія - термін однозначний (по крайней мере, в фізиці). Але енергія - це не речовина. Це те, що є у речовини.
• Термін «темна енергія» вносить плутанину, оскільки це не тільки енергія. Це і не речовина. Якусь речовину може частково відповідати за її присутність, але деталі нам невідомі.
• Фотони не потрібно називати «енергією», або «чистою енергією». Всі частинки - це обурення полів, і у них є енергія. Фотони нічим особливим не виділяються. Фотони - це речовина, а енергія - немає.
• Все речовина Всесвіту складається з полів (найпростіших складових Всесвіту) і їх часток. Це точка зору відноситься до часу після 1973 року.
Що таке матерія (і енергія)?
Для початку визначимося з термінами.
«Матерія» - жахливо багатозначний термін. Для нього немає універсального визначення, що не залежить від контексту. У різних місцях використовуються як мінімум три визначення. Матерією можуть називати:
1. Атоми, основні будівельні блоки того, що ми сприймаємо, як «матеріал» - стіл, повітря, камінь, шкіра, апельсиновий сік - і ті частинки, з яких складаються самі атоми, включаючи електрони, а також протони і нейтрони, що становлять ядро атома.
2. Елементарні «матеріальні частинки» природи: електрони, мюони, тау, три типи нейтрино, шість типів кварків - всі типи частинок, що не переносять взаємодії (тобто крім фотонів, глюонів, Гравітон, W і Z). Цікаво, що частка Хіггса не бажає вкладатися в цю зручне поділ на частки матерії і частки взаємодій, тому, що ця класифікація спочатку трохи штучна.
3. Класи частинок, які можна зустріти у Всесвіті, і які в середньому рухаються повільніше світла.
«Енергія», на щастя (в тому сенсі, в якому її використовують фізики) - цілком чітко визначене поняття, з яким згодні всі фізики. На жаль, у цього слова є стільки значень в англійській [і російською] мовою, що дуже легко заплутатися, розбираючись, що мають на увазі фізики. Я коротко описував різні форми фізичної енергії в статті про масу і енергії. Поки що досить сказати, що енергія - це не об'єкт. Атом - об'єкт, енергія - немає. Енергією можуть володіти об'єкти і групи об'єктів - це властивість об'єктів, що описує їх поведінку і їх зв'язку між собою. Нам же досить знати, що частинки, що рухаються самі по собі крізь простір, можуть володіти двома типами енергій: енергією маси (E = mc 2. що не залежить від руху частки) і енергією руху (ця енергія дорівнює нулю у частки, що покоїться і стає тим більше , чим швидше вона рухається).
Анігіляція частинок і античастинок - це не перетворення матерії в енергію
Розглянемо таке уявлення, як «матерія й антиматерія, анігілюють в чисту енергію». Простіше кажучи, це неправда, з кількох причин.
Трохи вище я дав вам три різних визначення матерії. Розповідаючи про аннигиляцию частинок і античастинок, доповідач може мати на увазі перше або друге з них. Я хочу обговорити аннигиляцию електрона і антиелектрона (або позитрона), або аннигиляцию мюона і антимюонів. Деталі цього процесу описані в статті про аннигиляцию частинок і античастинок.
Що мається на увазі під «чистою енергією»? Найчастіше так описують фотони, і зазвичай - в контексті електрона і позитрона (або інший масивної частинки і античастинки). Але так робити дуже погано. Енергія - це те, чим володіють фотони, а не те, чим вони є. У мене є ріс і вага - але це не означає, що я - це зростання і вага.
Термін «чиста енергія» - суміш поезії, короткого опису та сміття. Оскільки у фотонів немає маси, у них немає енергії маси, тому їх енергія - це «чисто енергія руху». Але це не те ж саме, що сказати: «Фотон - це 'чиста енергія'», що в суворій фізики, що в поданні дилетанта. Фотони - це частинки, такі ж, як електрони. І ті, і інші - це брижі відповідних полів, і в обох є енергія. У анігілював електрона і позитрона теж є енергія - стільки ж енергії, скільки буде у фотонів, в які вони аннигилировали, оскільки енергія зберігається (загальна кількість енергії не змінюється при анігіляції).
Більш того, процес перетворення мюона і антимюонів в два фотона відбувається точно так само і трапляється майже з такою ж вірогідністю, як процес перетворення мюона і антимюонів в електрон і позитрон, тобто аннигиляцию матерії і антиматерії в інший тип матерії і антиматерії. Неважливо, якими словами виражатися, все одно не можна сказати, що матерія й антиматерія завжди анігілюють в щось, що можна було б навіть приблизно називати «енергією»; існують інші можливості.
частка 1 + античастинка 1 → частка 2 + античастинка 2
При такій термінології зрозуміло, чому мюон і антимюонів анігілюють в два фотони, або в електрон і позитрон, або в нейтрино і антинейтрино однаковим способом. Це все процеси одного класу. Не потрібно створювати неіснуючої класифікації, заплутує універсальність процесу анігіляції частки / античастинки.
У загальному і цілому, матерія і енергія - це ще не все
Чому люди іноді говорять про «матерії та енергії», ніби все навколо - це або матерія, або енергія? Не знаю, в якому контексті винайшли цей вислів. Мова відображає історію, і часто повільно реагує на нову інформацію. Частина проблеми в тому, що з 1900 по 1980 відбувалися величезні зміни в фізичних концепціях, пов'язаних зі світом і з тим, з чого він складається. Зараз цей процес майже зупинився. Протягом моєї кар'єри він був дивно стабільним.
Наше поточне подання про фізичному світі сформувалося завдяки широкому колу експериментів і відкриттів, що трапилися в 1950-ті, 60-е і 70-е. Але попередні способи мислення і міркування з приводу фізики часток не вимирали аж до 1980-х і 90-х, коли я вчився і був молодим вченим. Воно й не дивно - у людей, які виросли зі старими уявленнями, йде багато часу на те, щоб перебудуватися на нові, а деякі так і не перебудовуються. Нового бачення потрібен час для того, щоб оформитися і розібратися з усіма дрібними недоліками.
Сьогодні, говорячи про світ в контексті сучасної точки зору, в першу чергу потрібно говорити про «полях і їх частках». Поля - основні складові світу, згідно сучасної домінуючої парадигми. Поля здаються нам більш фундаментальними, ніж частинки, оскільки елементарної частинки без поля не буває, а поле без частки - буває. Але виходить так, що у кожного з відомих нам полів є відома нам частка.
Що ж спільного у «полів і частинок» з «матерією і енергією»? Мало чого. Деякі поля і частинки ви могли б назвати «матерією», але які з них - матерія, а які - ні, залежить від використовуваного вами визначення матерії. Але у всіх полів і частинок може бути енергія, при цьому вони енергією не є.
Частинки матерії і частки взаємодій
Існує зовсім інше поділ, що має сенс: те, що я називаю частинками матерії, це ферміони, а то, що я називаю частинками взаємодій - це бозони. Але і це може змінитися після нових відкриттів.
Насправді все зводиться до того, що всі частинки в природі - це просто частки, деякі з яких служать античастинками один одному, і не існує унікального способу поділити їх на класи. Я використовую слова «матерія» і «взаємодія», оскільки це звучить не так абстрактно, як «ферміони» і «бозони» - але можливо, що я пошкодую про це, оскільки ми можемо виявити частинки, що порушують цей поділ.
Матерія і енергія у Всесвіті
Ще одне місце, де ми зустрічаємо ці слова - це історія і властивості космосу в цілому. Ми читаємо про матерію, випромінювання, темну матерію і темну енергію. Використання цих слів космологами відрізняється від очікуваного - і насправді у них є два-три різних значення, що залежать від контексту.
Матерія й антиматерія: говорять про них люди мають на увазі перше визначення з трьох. Вони зазвичай говорять про превалювання матерії над антиматерією у Всесвіті - про те, що частинок, складових звичайну речовину (електронів, протонів і нейтронів) набагато більше, ніж їх античастинок.
Матерія і випромінювання: такий поділ має на увазі третє визначення зі списку. У Всесвіті є температура. Спочатку вона була дуже гарячою, а потім поступово остигала, і тепер вона знаходиться на позначці в 2,7 градуса вище абсолютного нуля. Якщо у вас є газ (або плазма) з частинок при заданій температурі T, і ви міряєте енергії цих частинок, ви виявите, що середня енергія руху частинки буде k T, де k - знаменита константа Больцмана. У цьому сенсі, матерія - це будь-яка частка, чия енергія маси mc 2 більше середньої енергії руху kT. У таких частинок швидкість буде набагато менше швидкості світла. Випромінювання - це будь-яка частка, чия енергія маси мала в порівнянні з kT, і, отже, вона рухається зі швидкістю, близькою до швидкості світла.
Що таке темна матерія? Виходячи з вивчення рухів зірок і інших технік, ми можемо сказати, що велика частина маси галактик полягає в чомусь, що не світиться, і на докази того, що за це не відповідають відомі нам частинки, провідні себе звичайним чином, було витрачено багато сил. Для пояснення цього ефекту було запропоновано безліч теорій, і багато хто з них були спростовані (зазвичай шляхом спостереження за зовнішнім виглядом і поведінкою галактик). З решти теорій одна з провідних говорить про те, що темна матерія складається з важких частинок невідомого типу. Але більше про них ми нічого не знаємо. Експерименти можуть дати нам нову інформацію, хоча це не гарантовано. Зазначу: може виявитися, що немає сенсу говорити про темні античастинок, оскільки частинки темної матерії, як фотони або Z-частинки, можуть виявитися своїми власними античастинками.
А темна енергія? Нещодавно було відкрито, що Всесвіт розширюється з прискоренням, а не з уповільненням, як це було в ранні роки. Імовірно, за це відповідає те, що називається «темною енергією», але насправді це не енергія. Як любить говорити мій колега Шон Керрол, це напруга, а не енергія - комбінація тиску і щільності енергії. Чому ж її називають енергією? Частково - через зв'язки з громадськістю. Темна енергія круто звучить. Темне напруга звучить дивно, як і будь-яке інше більш-менш підходяще слово. В якомусь сенсі це нешкідлива річ. Вчені знають, про що йде мова, і термінологія не доставляє проблем з технічного боку. Більшій частині публіки все одно, про що йде мова, тому можна сказати, що з нетехнічних боку проблеми теж немає. Але якщо вам дійсно захочеться в цьому розібратися, важливо розуміти, що темна енергія - це не темна форма енергії, але щось більш тонке. Більш того, як і енергія, темна енергія - це не об'єкт і не набір об'єктів, а властивість, яким можуть володіти поля або комбінації полів простору-часу. Нам поки що невідомо, що відповідає за темну енергію, про існування якої ми судимо по прискорюється Всесвіту. І до того, як ми це дізнаємося, може пройти чимало часу.
До речі, чи знаєте ви, що мають на увазі астрономи під «металами»? Не те, що ви думаєте ...
За прочитання статті у вас могло скластися враження, що сучасні фізики не особливо винахідливо, творчо або чітко обходяться з мовою. Очевидно, це не наша сильна сторона. Великий вибух? Чорна діра? Поети всього світу ніколи не пробачать нам вибору таких тупих назв для таких фантастичних явищ ...