Poprzednia

ⓘ Materia (fizyka)




Materia (fizyka)
                                     

ⓘ Materia (fizyka)

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.

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.

                                     

1. Definicje materii

W klasycznej fizyce XIX wieku zakładano, że dwie cząstki materialne nie mogą się znajdować w tym samym miejscu nieprzenikalność materii, a jej podstawową właściwością jest niezmienna masa, wytwarzająca przyciąganie grawitacyjne.

Wraz z nadejściem mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności okazało się, że:

  • Grawitacja jest związana z energią oraz pędem ściślej: ze składowymi tzw. tensora napięć-energii, a nie tylko z masą spoczynkową.
  • Cząstki elementarne dzielą się na dwie duże rodziny fermiony o spinie ułamkowym i bozony o spinie całkowitym. Dwa fermiony w tym samym stanie kwantowym rzeczywiście nie mogą znaleźć się w tym samym miejscu zakaz Pauliego. Bozony jednak nie mają takich ograniczeń, w dodatku im więcej bozonów znajduje się w danym stanie kwantowym, tym większe jest prawdopodobieństwo, że kolejny również się tam znajdzie. Co więcej, układy fermionów mogą zachowywać się jak bozony np. jądra helu 4 He albo pary Coopera.
  • Nawet w próżni, w każdej chwili tworzą się i unicestwiają cząstki wirtualne, co ma obserwowalne skutki efekt Casimira.
  • Cząstki o niezerowej masie spoczynkowej, tradycyjnie uważane za materialne, mają również cechy fal tzw. fale de Broglie’a. Z drugiej strony np. światło, tradycyjnie uważane za falę, można opisywać także jako strumień cząstek dualizm korpuskularno-falowy.
                                     

1.1. Definicje materii Cztery definicje

W różnych działach fizyki i innych nauk przyrodniczych używa się kilku różnych definicji materii.

W fizyce stosuje się termin materia na określenie, co najmniej, trzech różnych kategorii obiektów fizycznych trzy definicje węższe:

  • z masą spoczynkową, jako atrybutem – materia to wszystkie obiekty, o różnej od zera masie spoczynkowej tzw. materia masywna,
  • bazująca na określeniu jej cząstek fundamentalnych – materia to wszystkie obiekty złożone z elementarnych fermionów tzw. materia fermionowa,
  • bazująca na częstości występowania w naszej okolicy Wszechświata – materia to wszystkie obiekty złożone z tej, z dwu o identycznej masie i czasie życia, ale o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego oraz wszystkich addytywnych liczb kwantowych, odmian cząstek elementarnych, która przeważa w naszej okolicy Wszechświata

oraz na określenie wszelkich według obecnego stanu wiedzy fizycznej obiektów fizycznych definicja najszersza:

  • bazująca na zdolności do wytwarzania grawitacji – materia to wszystkie obiekty wytwarzające grawitację i jej podlegające, czyli o niezerowej energii.

Definicje te różnią się w konsekwencjach:

Pierwsza, druga i trzecia definicja obejmują różne zakresy obiektów fizycznych np. bozony oddziaływań słabych są materią według pierwszej definicji, ale nie drugiej, jedynie czwarta obejmuje wszystkie obiekty przedmioty fizyczne. Czwarta definicja nie daje się bardziej rozszerzyć, gdyż wszystkie posiadające energię obiekty fizyczne oddziałują najpowszechniejszym oddziaływaniem – grawitacyjnym, a brak energii uniemożliwiłby zaobserwowanie danego obiektu w jakikolwiek sposób, więc nie ma obserwowalnych obiektów fizycznych poza czwartą definicją.

Także, jedynie przyjmując czwartą definicję, można mówić o potwierdzeniu przez fizykę współczesną prawa zachowania materii, w postaci zasady zachowania energii z dokładnością do zasady nieoznaczoności Heisenberga. Przy przyjęciu pierwszej definicji, ze względu na niezachowanie np. w reakcjach jądrowych tradycyjnie rozumianego prawa zachowania masy, można mówić o znikaniu i pojawianiu się materii.

                                     

2.1. Organizacja materii Fermiony fundamentalne

Zgodnie z Modelem Standardowym istnieje dwanaście rodzajów fermionów fundamentalnych – elementów podstawowych, z których składa się materia według definicji drugiej, podzielonych na trzy grupy zwane generacjami, po cztery cząstki w każdej grupie. Sześć z tych cząstek to kwarki, mające ładunek koloru i ładunek elektryczny, pozostałe sześć to leptony, bez ładunku koloru. Trzy z leptonów są neutrinami, bez ładunku elektrycznego, a trzy mają ładunek elektryczny równy –1 e: elektron, mion i taon.

W każdej generacji są dwa leptony i dwa kwarki. Materię trwałą, która nas otacza, tworzą: elektron, kwark górny u oraz kwark dolny d, wraz z neutrino elektronowym tworzące pierwszą generację. W następnych generacjach występują po cztery cząstki odpowiadające cząstkom z pierwszej generacji lecz o innej masie. Drugą generację tworzą: mion, neutrino mionowe, kwark dziwny s i kwark powabny c, zaś trzecią: taon, neutrino taonowe, kwark denny b i kwark szczytowy t.

Wymienione cząstki tworzą zwykłą materię, zwaną też koinomaterią. Każdy fermion ma swój odpowiednik w antymaterii zwany antycząstką. Łącznie zatem jest ich 24.



                                     

2.2. Organizacja materii Bozony fundamentalne

Materia tworzy określone struktury w wyniku określonych oddziaływań. Wszystkie oddziaływania obserwowane w przyrodzie są wynikiem czterech oddziaływań podstawowych. Według Modelu Standardowego oddziaływania przenoszone są przez nośniki oddziaływań specjalne cząstki – kwanty pola. W mechanice klasycznej "nośnikami” oddziaływań są wyłącznie pola. W kwantowej teoria pola oddziaływanie polega na wytworzeniu lub pochłonięciu cząstki przenoszącej oddziaływanie.

Model Standardowy przewiduje dwanaście rodzajów cząstek odpowiedzialnych za przenoszenie oddziaływań między innymi cząstkami zwanych bozonami cechowania bozonami fundamentalnymi:

  • foton kwant pola elektromagnetycznego – przenosi oddziaływanie elektromagnetyczne oddziałują nim cząstki mające ładunek elektryczny, m.in. wiążące atomy oraz cząsteczki chemiczne
  • osiem gluonów kwantów pola sił kolorowych – przenoszą oddziaływanie silne oddziałują nim cząstki mające ładunek koloru: kwarki i same gluony, wiążące składniki jądra atomowego
  • dwa wuony i jeden zeton kwanty pola sił słabych – przenoszą oddziaływanie słabe oddziałują nim lewoskrętne kwarki i leptony, oraz ich prawoskrętne antycząstki, odpowiedzialne za pewne rozpady promieniotwórcze

Poza Modelem Standardowym jest proponowany przez niektóre kwantowe teorie grawitacji:

  • grawiton – kwant pola grawitacyjnego – jako cząstka odpowiedzialna za istnienie grawitacji oddziałują nim wszystkie obiekty fizyczne.

Oddziaływania silne i elektromagnetyczne sprawiają w szczególności, że materia organizuje się w atomy i cząsteczki. Dzięki grawitacji powstają struktury w skali astronomicznej, takie jak planety czy galaktyki.

                                     

2.3. Organizacja materii Skala jądra atomowego

Związane oddziaływaniem silnym tzn. wymieniające gluony kwarki tworzą hadrony.

W skład zwykłej materii tzw. barionowej wchodzą, będące barionami nukleony: proton dwa kwarki górne i jeden kwark dolny i neutron dwa kwarki dolne i jeden kwark górny. Kwark górny ma ładunek elektryczny +2/3 e, a kwark dolny –1/3 e. Sprawia to, że neutron ma zerowy ładunek, a proton równy +1 e.

Istnieją też bariony mające w swoim składzie kwark dziwny – hiperony. Może także istnieć tzw. materia dziwna – plazma kwarkowo-gluonowa, będąca jakby jednym olbrzymim hadronem, której składnikiem też jest kwark dziwny.

Protony i neutrony związane oddziaływaniem silnym za pośrednictwem mezonów π tworzą jądra atomowe. Protony odpychają się elektrostatycznie, jednak jądro utrzymywane jest w całości przez oddziaływanie silne. Działa ono tylko na niewielką odległość, dlatego jądra zbyt duże i masywne stają się nietrwałe, co prowadzi do samorzutnego ich rozpadu.

Może także istnieć tzw. materia neutronowa, będąca jakby jednym olbrzymim jądrem atomowym.

Liczba protonów w jądrze atomowym to liczba atomowa, a suma liczb protonów i neutronów to liczba masowa. Jądro atomowe o określonej liczbie protonów i neutronów nazywamy nuklidem. Nuklidy o jednakowej liczbie protonów, a różnej neutronów, to izotopy, o jednakowej liczbie neutronów, a różnej protonów, to izotony, a o jednakowej liczbie masowej, lecz różnych liczbach protonów i neutronów, to izobary.

                                     

2.4. Organizacja materii Skala atomowa

Obiekt fizyczny złożony z jądra atomowego i znajdujących się w otoczeniu jądra ale w odległości znacznie większej niż promień jądra, związanych z nim oddziaływaniem elektromagnetycznym siłą elektrostatyczną, elektronów to atom. Nazwa ta pochodzi z greckiego ἄτομος – niepodzielny, gdyż kiedyś uważano go za najprostszy składnik materii.

Elektron w atomie może znajdować się w jednym z wielu możliwych tzw. stanów kwantowych, opisywanych matematycznie tzw. funkcją falową, z której wynika m.in. prawdopodobieństwo znalezienia tej cząstki w zadanym obszarze.

Falowa natura cząstek elementarnych sprawia, że ich położenie nie jest ściśle określone. Niekiedy za Feynmanem mówi się o chmurze elektronowej o gęstości i kształcie zależnych od stanu kwantowego, zamiast o elektronie w atomie, dla podkreślenia, że elektron powinien być traktowany raczej jako obiekt rozmyty, zgodnie z jego falową naturą.

Dozwolone prawami mechaniki kwantowej stany elektronu w atomie, są opisywane przez funkcje falowe zwane orbitalami atomowymi.

Energia elektronu, kręt orbitalny moment pędu, spin oraz orientacja przestrzenna wektorów krętu i spinu mogą przybierać wyłącznie wartości nieciągłe skwantowane, określone przez liczby kwantowe: n, l, m l, s, m s. Zakaz Pauliego sprawia, że dwa elektrony nie mogą być w stanie o tych samych wartościach wszystkich liczb kwantowych. Trzy n, l, m l, wyznaczają orbital, czwarta s, jest stała dla pojedynczego elektronu, piąta m s, określa orientację przestrzenną spinu elektronu, któremu jest ten orbital przypisany który "obsadza” ten orbital, i może przyjąć jedną z dwóch wartości, więc "na” jednym orbitalu mogą być co najwyżej dwa elektrony. Orbitale atomowe grupują się w tzw. powłoki elektronowe i podpowłoki elektronowe. Przypisanie elektronów poszczególnym podpowłokom to konfiguracja elektronowa atomu.

Atom, w którym liczba elektronów jest różna od liczby protonów co powoduje posiadanie przez atom niezerowego wypadkowego ładunku elektrycznego nazywamy jonem.

Zbiór atomów o tej samej liczbie protonów w jądrze liczbie atomowej, to pierwiastek chemiczny. Atomy jednego pierwiastka mogą różnić się liczbą neutronów w jądrze – są to tzw. izotopy.



                                     

2.5. Organizacja materii Skala cząsteczkowa

Atomy mogą łączyć się w cząsteczki, których względną trwałość zapewniają wiązania chemiczne. Wiązania chemiczne powstają dzięki wymianie elektronów między atomami, która może odbywać się na dwa sposoby:

  • jonowy – polegający na trwałym przeniesieniu elektronów z jednego atomu na drugi, w którego wyniku na jednym z atomów tworzy się całkowity ładunek ujemny, na drugim dodatni; w efekcie powstaje para jonowa, która jest związana z sobą zwykłymi oddziaływaniami elektrostatycznymi.
  • kowalencyjny – polegający na uwspólnianiu par elektronów przez dwa lub więcej atomów; w kategoriach mechaniki kwantowej uwspólnione pary elektronów obsadzają odpowiednie orbitale molekularne

Najmniejsze cząsteczki zawierają tylko dwa atomy np. H 2, największe mogą liczyć nawet setki milionów atomów np. DNA. Największe cząsteczki można już obserwować z użyciem mikroskopu optycznego.

                                     

2.6. Organizacja materii Skala makroskopowa

Obok wiązań atomowych istnieją oddziaływania międzycząsteczkowe, w których elektrostatycznie oddziałują całe cząsteczki. Oddziaływania te starają się związać cząsteczki ze sobą w większe struktury agregaty, krystality. Przeciwstawia się temu ciągły ruch cząsteczek, którego makroskopowym przejawem jest temperatura.

Za pomocą oddziaływań międzycząsteczkowych siły Van Der Waalsa, wiązania wodorowe itp. cząsteczki chemiczne niekiedy łączą się w tzw. cząstki supramolekularne. Cząstki supramolekularne odgrywają kluczową rolę w funkcjonowaniu organizmów żywych. Część tego rodzaju cząstek jest na tyle duża, że da się je obserwować pod mikroskopem optycznym.

W skali makroskopowej z czterech oddziaływań obserwowalne są jedynie oddziaływania elektromagnetyczne i grawitacja, gdyż zanikają one najwolniej wraz z odległością.

                                     

2.7. Organizacja materii Stany skupienia materii

Efektem oddziaływań międzycząsteczkowych są również tzw. stany skupienia materii. Tradycyjnie wyróżnia się trzy stany skupienia według nomenklatury z XVII w.:

  • stały ciało stałe
  • lotny gaz
  • ciekły ciecz

oraz dodany w czasach nam współczesnych czwarty stan, czyli

  • gaz zjonizowany plazma.

Jeśli oddziaływania są tak małe, tak że energia ruchu cząsteczek umożliwia im dowolnie oddalenie się, to ciało jest gazem. Gdy energia ruchu nie jest w stanie pokonać energii oddalania się cząsteczki od pozostałych cząsteczek, ale jest wystarczająco duża, by cząsteczka mogła zmieniać położenie względem innych cząsteczek, powstaje ciecz. Gdy oddziaływania te są jeszcze silniejsze i cząsteczki nie mogą poruszać się swobodnie ruchem postępowym, powstaje ciało stałe. Stan skupienia zależy od składu chemicznego oraz warunków termodynamicznych, takich jak temperatura czy ciśnienie.

Nowsze badania wykazały, że stały i ciekły stan skupienia mogą być realizowane na wiele różnych sposobów różniących się układem cząsteczek. Sposoby te są nazywane fazami materii.

                                     

2.8. Organizacja materii Skala astronomiczna

W skali pojedynczych ciał niebieskich oddziaływanie elektromagnetyczne ma mniejsze znaczenie niż grawitacja. Istnieją jednak takie obiekty jak pulsary, w których efekty elektromagnetyczne odgrywają dużą rolę. W jeszcze większej skali oddziaływanie elektromagnetyczne przestaje się liczyć, a rolę odgrywa wyłącznie grawitacja.

Grawitacja wiąże w całość materię, tworząc gwiazdy czy planety, wiąże też ciała niebieskie w większe struktury. Niekiedy tworzą one układy planetarne, takie jak Układ Słoneczny. Istnieją też układy gwiazd nieposiadające planet, tzw. gwiazdy wielokrotne. W większej skali gwiazdy tworzą gromady. Materia nie musi jednak być skupiona w gwiazdy czy planety. Istnieje również materia międzygwiazdowa, tworząca niekiedy mgławice. Gwiazdy z ewentualnymi planetami oraz materia międzyplanetarna i międzygwiazdowa tworzą galaktyki, a te wraz z materią międzygalaktyczną grupy galaktyk, gromady i supergromady. Wyniki badań z ostatnich lat wskazują na to, że supergromady mogą tworzyć jeszcze większe struktury – tzw. włókna i ściany, otaczające olbrzymie obszary pustki, nadając kosmosowi w największej skali kształt piany.

Obserwacje wskazują, że we wszechświecie, w skali astronomicznej, mogą występować także inne, niewidoczne odmiany materii zwane ciemną materią. Jej natura nadal stanowi zagadkę.