Materia - fizyka - Polski Serwis Naukowy

Ten artykuł dotyczy materii z punktu widzenia fizyki. Zapoznaj się również z: inne znaczenie tego słowa.

Skały jako przykład materii

Materia – w potocznym znaczeniu: ogół obiektywnie istniejących przedmiotów fizycznych, poznawalnych zmysłami. W fizyce termin "materia" ma kilka znaczeń.

Historia pojęcia "materia" w fizyce

Kartezjusz i Newton

Spór, co do zakresu znaczeniowego pojęcia "materia" pojawił się wśród fizyków już w epoce formowania się fizyki jako nauki, t.j. w wieku XVII.

Cząsteczka, inaczej molekuła – obojętne elektrycznie indywiduum chemiczne, złożone z więcej niż jednego atomu, które są ze sobą trwale połączone wiązaniami chemicznymi.
Gaz – stan skupienia materii, w którym ciało fizyczne łatwo zmienia kształt i zajmuje całą dostępną mu przestrzeń. Właściwości te wynikają z własności cząsteczek, które w fazie gazowej mają pełną swobodę ruchu. Wszystkie one cały czas przemieszczają się w przestrzeni zajmowanej przez gaz i nigdy nie zatrzymują się w jednym miejscu. Między cząsteczkami nie występują żadne oddziaływania dalekozasięgowe, a jeśli, to bardzo słabe. Jedyny sposób, w jaki cząsteczki na siebie oddziałują, to zderzenia. Oprócz tego, jeśli gaz jest zamknięty w naczyniu, to jego cząsteczki stale zderzają się ze ściankami tego naczynia, wywierając na nie określone i stałe ciśnienie.

Według Kartezjusza, materia to byt rozciągły w przestrzeni, wypełniający ją całą, przy braku próżni absolutnej, podzielny nieskończenie, nie tylko w postaci ciał (cząstek), ale subtelnego materiału przenoszącego oddziaływania między nimi (Meteorologia 1637, Zasady filozofii 1644). Koncepcja ta była nieco zbliżona do tej, jaka wynika z fizyki współczesnej, lecz czysto spekulatywna. Dlatego zwyciężyła koncepcja przedstawiona przez Izaaka Newtona: świat składa się z ciał zbudowanych z twardych i sztywnych, niepodzielnych cząstek, nieprzenikliwych (jedno miejsce może zajmować jedna tylko cząstka), rozciągłych w absolutnej przestrzeni i trwających w absolutnym czasie, zdolnych do ruchu, obdarzonych bezwładnością (masą bezwładną) i ważkością (masą ważką), rozdzielonych absolutną próżnią; oddziaływania przenoszą się na odległość (przez próżnię, bez pośrednictwa ciał materialnych), z nieskończoną prędkością (Philosophiae naturalis principia mathematica 1687, Optyka 1704). Podstawowym atrybutem materii i miarą jej ilości (a w fizyce posiadanie cech mierzalnych decyduje o uznaniu danego bytu za realny), jest w tym ujęciu masa. Koncepcja ta wydawała się mieć mocne oparcie w ścisłych prawach fizyki newtonowskiej (dynamiki i teorii grawitacji) i stała się filozoficzną podstawą dalszego rozwoju mechaniki klasycznej, a następnie, po uznaniu ciepła za skutek ruchu cząstek (Herapath, Carnot), kinetycznej teorii gazów i termodynamiki. Rozwój fizyki wydawał się dowodzić nieistnienia imponderabiliów – bytów istniejących obiektywnie, rozciągłych, lecz nie posiadających masy, takich jak cieplik.

Galaktyka (z gr. γαλα – mleko) – duży, grawitacyjnie związany układ gwiazd, pyłu i gazu międzygwiazdowego oraz niewidocznej ciemnej materii. Typowa galaktyka zawiera od 107do 1012 gwiazd, orbitujących wokół środka swojej masy.
Układ planetarny - planety i inne ciała niebieskie, krążące wokół wspólnego centrum masy, zazwyczaj położonego wewnątrz gwiazdy. System planetarny, w którym znajduje się Ziemia nazywamy Układem Słonecznym.

Problem eteru – ostatniego z imponderabiliów

Newton przyjmował, że światło jest strumieniem cząstek o właściwościach zgodnych z jego koncepcją materii (Optyka 1704). Jednak już w 1678 Huygens sformułował koncepcję światła jako fali (podłużnej) (Traktat o świetle 1690. Odkrycie przez Younga w 1801 dyfrakcji i interferencji światła (choć oba te zjawiska były obserwowane już w XVII wieku, także przez Newtona), wydawało się jednoznacznie potwierdzać tę hipotezę. Pozostawał jednak problem ośrodka, w którym fala ta się rozchodziła (nazwanego przez Huygensa eterem). Eter nie posiadał masy, wypełniał próżnię fizyczną, był niezwykle sprężysty. Co gorsza, gdy po odkryciu (Malus 1809) polaryzacji światła, okazało się ono falą poprzeczną (Young 1817), eterowi trzeba było przypisać jednocześnie doskonałą ściśliwość, jakiej nie mają nawet gazy, i sztywność charakterystyczną dla ciała stałego.

Krystalit (zwany również ziarnem) – część ciała stałego o budowie krystalicznej będąca obszarem monokrystalicznego uporządkowania. Ma rozmiary od kilku nanometrów do milimetrów. Krystality oddzielone są od siebie cienkimi amorficznymi warstwami (granicami ziaren) tworząc większe struktury polikrystaliczne. W pewnych materiałach (np. silikon nanokrystaliczny), w których poszczególne bardzo małe ziarna krystaliczne osadzone są w matrycy amorficznej, nie posiadającej struktury krystalicznej. Krystality są zwykle zorientowane przypadkowo. W związku z tym ich własności fizyczne są izotropowe, co oznacza izotropowość np. pod względem mechanicznym, a substancjach przezroczystych - optycznym. Krystality mogą układać się w sposób uporządkowany tworząc okrągłe (lub sferyczne) sferolity, dendryty o budowie drzewiastej, igły i inne. Struktury takie tworzone są w warunkach przechłodzenia, gdy proces nukleacji wtórnej dominuje nad procesem nukleacji pierwotnej. Powstawanie takich konglomeratów krystalitów obserwuje się w bardzo różnych substancjach takich jak:
Grawiton to hipotetyczna cząstka elementarna, która nie posiada masy, ani ładunku elektrycznego i przenosi oddziaływanie grawitacyjne. Teoria grawitonu jest podstawą różnych kwantowych teorii grawitacji, będących wersją kwantowej teorii pola, ale nie Modelu Standardowego.

Pole – nowy obiekt fizyczny. Faraday i Maxwell

Koncepcja pola, jako formy opisu matematycznego zjawisk w ośrodkach ciągłych została sformułowana pod koniec XVIII i na początku XIX wieku (Cauchy 1822).

W 1844 Michał Faraday wysunął hipotezę, że nośnikiem oddziaływań elektrycznych i magnetycznych jest istniejący realnie byt nazwany później polem elektromagnetycznym, wypełniające całą przestrzeń między ciałami masywnymi (atomami). Nawiązał przy tym do koncepcji Rudjera Boškovicia (1783), odrzucając ideę oddziaływania na odległość z nieskończoną prędkością. Maxwell w 1862 opracował teorię tego pola, uznając światło za jego drgania (falę elektromagnetyczną).

Teorie pól kwantowych (ang. QFT - Quantum Field Theory) to współczesne teorie fizyczne tłumaczące oddziaływania podstawowe. Są one rozwinięciem mechaniki kwantowej zapewniającym jej zgodność ze szczególną teorią względności.
Mechanika klasyczna – dział mechaniki w fizyce opisujący ruch ciał (kinematyka), wpływ oddziaływań na ruch ciał (dynamika) oraz badaniem równowagi ciał materialnych (statyka). Mechanika klasyczna oparta jest na prawach ruchu (zasadach dynamiki) sformułowanych przez Isaaca Newtona, dlatego też jest ona nazywana "mechaniką Newtona" (Principia). Mechanika klasyczna wyjaśnia poprawnie zachowanie się większości ciał w naszym otoczeniu.

Teoria Faradaya – Maxwella była pierwszą teorią ujmującą rzeczywistość fizyczną w kategorie nie-newtonowskie, w pewnym sensie zwrotem w kierunku kartezjańskiej koncepcji materii, lecz już nie w formie spekulatywnej, a naukowej (zmatematyzowanej i potwierdzonej doświadczalnie – Hertz 1887).

Faraday wysunął też hipotezę istnienia pola grawitacyjnego: moc stale istnieje (...) w całej nieskończonej przestrzeni, bez względu na to, czy tam są wtórne ciała, na które mogłaby podziałać siła grawitacji; i to (...) wokół każdej istniejącej cząstki materii.

Szczególna teoria względności (tu STW) – teoria fizyczna, stworzona przez Alberta Einsteina w 1905 roku. Zmieniła ona podstawy pojmowania czasu i przestrzeni opisane wcześniej w newtonowskiej mechanice klasycznej, tak aby można było usunąć trudności interpretacyjne i sprzeczności pojawiające się na styku mechaniki (zwanej obecnie klasyczną) i elektromagnetyzmu po ogłoszeniu przez Jamesa Clerka Maxwella teorii elektromagnetyzmu.
Deficyt masy (niedobór masy, defekt masy) – różnica Δm między sumą mas nukleonów wchodzących w skład jądra atomowego, a masą jądra. Iloczyn niedoboru masy i kwadratu prędkości światła w próżni jest równy energii wiązania jądra, ΔE.

Faraday, niekiedy traktował pole jako formę materii: materia jest obecna wszędzie, i nie ma przestrzeni pośredniczącej, która by nie była przez nią zajęta (...), to co naprawdę jest materią jednego atomu, dotyka materii jego sąsiadów, niekiedy ograniczał pojęcie materii do newtonowskiego, uznając je jakby za błędne: atomy są tylko centrami sił lub mocy, a nie cząstkami materii (...) substancja składa się z mocy, nigdy jednak nie negował realnego istnienia atomów.

Wszechświat – wszystko, co fizycznie istnieje: cała przestrzeń, czas, wszystkie formy materii i energii oraz prawa fizyki i stałe fizyczne określające ich zachowanie. Słowo "wszechświat" może być też używane w innych kontekstach, jako synonim słów kosmos (w rozumieniu filozofii), świat czy Natura. Natomiast w naukach ścisłych słowa wszechświat i kosmos są równoważne.
Atom (z gr. ἄτομος atomos: "niepodzielny") – najmniejszy składnik materii, któremu można przypisać właściwości chemiczne. Atomistyczną teorię budowy materii sformułował w roku 1808 John Dalton.

Własności pola elektromagnetycznego nie dawały się sprowadzić do praw mechaniki klasycznej. To, oraz odkrycie promieniotwórczości (łamiącej prawo zachowania masy) spowodowało pod koniec XIX wieku załamanie się materializmu mechanistycznego, jako filozoficznego fundamentu fizyki i światopoglądu fizyków. Stało się jasne, że tradycyjne, newtonowskie pojęcie materii nie odpowiada całej rzeczywistości fizycznej i nie wszystkie zjawiska fizyczne redukują się do mechaniki. Należało albo przyjąć, że istnieją dwie zupełnie różne jakościowo (choć obie istniejące obiektywnie), formy materii: masywna (korpuskularna, substancjalna) i bezmasowa (polowa, promienista), albo, przyjmując newtonowskie pojęcie materii, nie zaliczać do niej pola. Masa przestała być atrybutem materii, a pojęcie "materia" przestało być jednoznacznie określone. Okazało się też, że pole elektromagnetyczne posiada energię, choć (jak wtedy sądzono) nie posiada masy. Niektórzy fizycy, jak Ostwald, uznali więc, że energię należy traktować jak realny byt, a nie tylko abstrakcyjną wielkość fizyczną i sprowadzili materię do roli jednego tylko z rodzajów energii (energetyzm). Inni, jak Mach, sprowadzali całą rzeczywistość do ciągu wrażeń, które Mach nazywał elementami i zanegowali całkowicie istnienie materii, jako obiektywnej rzeczywistości, a co najmniej użyteczność w fizyce tego pojęcia (empiriokrytycyzm). Wiek XX przyniósł dwie rewolucje naukowe, teorię względności i mechanikę kwantową, które sprowadziły fizykę Newtona do roli uproszczonego modelu rzeczywistości.

Zasada zachowania energii - empiryczne prawo fizyki, stwierdzające, że w układzie izolowanym suma wszystkich rodzajów energii układu jest stała (nie zmienia się w czasie). W konsekwencji, energia w układzie izolowanym nie może być ani utworzona, ani zniszczona, może jedynie zmienić się forma energii. Tak np. podczas spalania wodoru w tlenie energia chemiczna zmienia się w energię cieplną.
Mechanicyzm - pogląd filozoficzny w filozofii XVI - XVIII w., według którego wszelkie zjawiska i procesy można wyjaśniać na drodze pojęć i praw mechaniki. Do głównych przedstawicieli tego poglądu zaliczają się m.in.: Isaac Newton, René Descartes, Julien Offray de La Mettrie. Ważną rolę w propagowaniu mechanicyzmu odegrał ówczesny wynalazca Jacques de Vaucanson, który bezpośrednio zajmował się tworzeniem mechanicznych imitacji żywych obiektów.

Jedność po raz pierwszy – Einstein

Szczególna teoria względności

Z równań Maxwella wynika, że światło ma stałą prędkość względem dowolnego obserwatora, co oznacza że prawa elektrodynamiki nie są niezmiennicze względem przekształcenia Galileusza, i nie daje się wyjaśnić prawami mechaniki Newtona. W latach 1900-04 Lorentz i Poincaré opracowali nowe przekształcenie współrzędnych przestrzennych i czasu przy zmianie obserwatora (tzw. transformację Lorentza), uważali je jednak za czysto matematyczny wybieg lub, co najwyżej, szczególną właściwość pola elektromagnetycznego, co wydawało się odróżniać pole od ciał masywnych, których ruch opisywać miało nadal przekształcenie Galileusza.

Sacharoza (β-D-fruktofuranozylo-α-D-glukopiranozyd) – związek organiczny z grupy węglowodanów, disacharyd (dawniej: dwusacharyd), złożony z fruktozy i glukozy, będący zasadniczym składnikiem cukru trzcinowego i cukru buraczanego.
Nauki przyrodnicze (w terminologii angielskiej zwane natural sciences) to mało precyzyjne określenie dziedzin nauki, które zajmują się badaniem różnych aspektów świata materialnego, ożywionego i nieożywionego, zazwyczaj z zastosowaniem aparatu matematycznego, jak również właściwej sobie metodologii.

W 1905 Albert Einstein zbadał konsekwencje transformacji Lorentza, uznając ją już nie za wybieg matematyczny, a za opis rzeczywistych praw fizyki, dotyczących nie tylko pola elektromagnetycznego, ale także poruszających się ciał i tworząc szczególną teorię względności – fundament mechaniki relatywistycznej.

Zgodnie ze szczególną teorią względności, każdy obiekt fizyczny (zarówno ciało, jak i kwant pola), posiada pęd i energię, związane zależnością:

Taon – cząstka elementarna z grupy leptonów obdarzona ładunkiem ujemnym, średnim czasem życia 3×10−13 sekundy i dużą masą 1777 MeV / c2 = 3,17×10−27kg (porównując 939 MeV / c2 dla protonu i 0,511 MeV / c2 dla elektonu). Odpowiadająca mu antycząstka to antytaon. Taony zostały odkryte w 1975 roku przez Martina Lewisa Perla.
Orbital molekularny (inaczej: cząsteczkowy, skrót: MO) jest funkcją, opisującą stan elektronu w cząsteczce, w ramach teorii orbitali molekularnych. Zwykle przedstawia się go jako kombinację orbitali atomowych - "zwykłych" bądź zhybrydyzowanych.

$E^2 - (pc)^2 = E_0^2 \,\!$ ,

gdzie E0 – energia spoczynkowa (energia w układzie odniesienia, w którym pęd obiektu jest zerowy).

Energia spoczynkowa jest powiązana z masą obiektu zależnością: $E_0 = m_0c^2 \,\!$ ,

gdzie m0 oznacza masę spoczynkową.

Obiekt fizyczny o niezerowej masie spoczynkowej to ciało fizyczne.

Każdemu obiektowi fizycznemu można też przypisać tzw. masę relatywistyczną $m_{rel} = E/c^2 \,\!$ , przy czym mogą istnieć obiekty o niezerowej energii (masie relatywistycznej) i niezerowym pędzie, a zerowej energii (masie) spoczynkowej, dla których $E = pc \,\!$ i $m_{rel} = p/c \,\!$ . Przykładem jest pole elektromagnetyczne, które ma zerową masę spoczynkową, lecz niezerową energię (Poynting 1884) i niezerowy pęd (ciśnienie promieniowania).

Nazwą magnetyzm określa się zespół zjawisk fizycznych związanych z polem magnetycznym, które może być wytwarzane zarówno przez prąd elektryczny jak i przez materiały magnetyczne.
Substancja to materia składająca się z obiektów (cząstek, atomów) posiadających masę spoczynkową. Substancją nie jest zatem np. fala lub pole fizyczne (grawitacyjne, elektryczne). Substancja może być jednorodna w sensie chemicznym (np. związek chemiczny) i fizycznym (ośrodek ciągły) albo może być niejednorodna (mieszanina, granulat). Jej skład może być ustalony lub zmienny.

Na gruncie szczególnej teorii względności można jako materialne określić albo wyłącznie obiekty fizyczne posiadające niezerową masę spoczynkową (ciała fizyczne), albo wszystkie obiekty posiadające niezerową energię. Szczególna teoria względności nie obejmuje pola grawitacyjnego i nie pomaga w określeniu, czy spełnia ono definicję materialności.

Michael Faraday (ur. 22 września 1791, zm. 25 sierpnia 1867) – fizyk i chemik angielski, jeden z najwybitniejszych uczonych XIX w., eksperymentator, samouk.
Grawitacja (ciążenie powszechne) - jedno z czterech oddziaływań podstawowych, będące zjawiskiem naturalnym polegającym na tym, że wszystkie obiekty posiadające masę oddziałują na siebie wzajemnie przyciągając się.

Ogólna teoria względności

Ogólna teoria względności wprowadza grawitację jako obserwowany efekt krzywizny czasoprzestrzeni. Jedną z konsekwencji jest fakt, że układu obiektów o niezerowej objętości nie można traktować jak jeden obiekt fizyczny (chyba że w przybliżeniu, lub dla małych pól), gdyż oddziaływanie grawitacyjne między nimi nie pozwala na ich przedstawienie na jednym układzie inercjalnym. Zgodnie z ogólną teorią względności, oddziaływanie grawitacyjne jest konsekwencją niezerowego tensora energii-pędu w danym punkcie czasoprzestrzeni, którego składowe są związane z energią, pędem i ciśnieniem w tym punkcie. Energia i w konsekwencji grawitacja nie zawsze może być przypisana konkretnej cząstce. Istnieje np. tzw. energia próżni, lub ujemna grawitacyjna samoenergia układu.

Micele to cząstki występujące w trwałych emulsjach. Tworzą je związki chemiczne o własnościach amfifilowych. Micele są kulistymi tworami zawierającymi od kilkudziesięciu do kilkuset cząsteczek.
Richard Phillips Feynman [ˈɹɪtʃɝd ˈfɪlɪps ˈfaɪnmən] (ur. 11 maja 1918 w Nowym Jorku, zm. 15 lutego 1988 w Los Angeles) – amerykański fizyk teoretyk.

Co więcej, OTW przewiduje np. istnienie cząstek o ujemnej energii w tzw. ergoobszarze wokół obracających się czarnych dziur.

Pojęcie masy relatywistycznej i spoczynkowej, które pozwalało w STW na przeniesienie części intuicji z mechaniki klasycznej, w OTW przestaje pełnić tę funkcję. Na gruncie OTW można jednak jako materię zdefiniować wszystkie obiekty posiadające niezerowy tensor energii-pędu, czyli wytwarzające grawitację i jej podlegające, w tym także pole grawitacyjne.

Anihilacja – proces oddziaływania cząstki z odpowiadającą jej antycząstką, podczas którego cząstka i antycząstka zostają zamienione na fotony (zasada zachowania pędu nie dopuszcza możliwości powstania jednego fotonu – zawsze powstają co najmniej dwa) o sumarycznej energii równoważnej ich masom, zgodnie ze wzorem Einsteina: E=mc2 (zobacz: Szczególna teoria względności).
Nukleony to wspólna nazwa protonów i neutronów, czyli podstawowych cząstek tworzących jądro atomu. Nukleony składają się z kwarków. Choć przez obecne teorie cząstek protony i neutrony nie są uznawane za cząstki elementarne, ale z historycznych względów zalicza się je do cząstek elementarnych.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)