Zbigwie: Co to jest materia?

Jeśli zajrzycie do Wikipedii to ogarnie was zdumienie. Przeczytacie tam m. in.: „Materia jest filozoficzną kategorią, która dana jest człowiekowi we wrażeniach, którą nasze wrażenia kopiują, fotografują, odzwierciedlają, a która istnieje niezależnie od nich” Ta filozoficzna definicja materii istnieje jeszcze dziś w polskiej Wikipedii! Podał ją „największy” filozof wszechczasów i jeden z najpaskudniejszych dyktatorów, niejaki Władimir Ilicz Uljanow pseudo Lenin!

Coś mi w pamięci świta, że w szkole uczyli nas: materia to wszystko, co istnieje! Jak teraz się zastanawiam nad pojęciem materii w sensie fizycznym, to muszę się przyznać, ze nie bardzo wiem co to jest materia.

Teraz z pojęciem materii w fizyce to jest trochę mętna sprawa. A wydawało by się, że materia to fundamentalne pojęcie fizyki, intuicyjnie oczywiste dla każdego. Przecież intuicyjnie każdy z nas wie co to jest materia!

Usiłowałem znaleźć zatem definicję pojęcia materia w fizyce. Tej dzisiejszej fizyce! Materia musi istnieć, bo przecież ciągle słyszymy o cząstkach elementarnych materii, o anihilacji i kreacji materii, no i o antymaterii.

I jak się okazuje istnieje nadzwyczaj elementarna definicja materii. Przytaczam, co o tym pisze Eine:

„Każde ciało makroskopowe, nazywane ciałem materialnym, jest zbiorem molekuł, atomów i cząstek elementarnych.”

Jest to stara definicja Isaaca Newtona. Czyli materia to zbiór molekuł, atomów i cząstek elementarnych tworzących jakąś strukturę fizyczną. Oczywiście, wszystkie elementy tego zbioru też stanowią materię.

Definicja ta nie obejmuje jednak fundamentalnego pojęcia fizyki jaką jest pole.W przyrodzie występują przecież pola elektryczne, magnetyczne, elektromagnetyczne, pola sił jądrowych, które w żadnym sensie nie są substancją złożoną z atomów, czy molekuł chemicznych.

Wobec tego powstała tradycja odróżniania tych dwóch postaci materii za pomocą określeń: materia cząsteczkowa i materia polowa.

Materia cząsteczkowa jest nazywana często materią zwykłą - występująca we wszechświecie dostępnym naszym obserwacjom - jest zbudowana z dwunastu fermionów, to znaczy cząstek elementarnych o tzw. spinowej liczbie kwantowej równej ½ (a w tym elektron, proton, neutron). Cząstki te podlegająstatystyce Fermiego – Diraca.

An illustration of the helium atom, depicting thenucleus (pink) and the electron cloud distribution (black). The nucleus (upper right) is in reality spherically symmetric, although for more complicated nuclei this is not always the case. The black bar is one ångström, equal to 10⁻¹⁰ m or 100,000 fm.

Materia cząsteczkowa ma na ogół gęstość określoną ilością molekuł danej materii w jej objętości. Materia ta zawsze zajmuje jakąś objętość niezależnie od stanu skupienia: ciało stały, czy płyn (ciecz lub gaz).

Zupełnie inny charakter ma materia polowa.

Jeżeli zderzają się ze sobą elektron i pozytron, to te dwie cząstki elementarne znikają! Następuje anihilacja. Pojawiają się kwanty promieniowania gamma.

e^- + e⁺ → kwanty promieniowania gamma

W miejsce materii cząsteczkowej pojawia się materia polowa! JEST TO ZUPEŁNIE INNA FORMA MATERII. Pola fizyczne za wyjątkiem grawitacji związane są z cząstkami zwanymi bozonami, które są nośnikiem tych pól i przenoszą oddziaływania. Ich tzw. spinowa liczba kwantowa jest liczbą całkowitą. Cząstki te podlegają statystyce Bosego – Einsteina.

Nie będę tu wyjaśniał pojęcia spinu. Proszę przyjąć, że jest to cecha cząstek określająca ich własny moment pędu.

Bozony nie są lokalizowane (np. foton) i materia z nich utworzona zajmuje całą przestrzeń trójwymiarową, a w tym samym elemencie przestrzeni w danym momencie czasowym, może być wiele pól fizycznych.

W wyniku zderzenia elektronu i antyelektronu powstały dwa kwanty promieniowania gamma.

Materia cząsteczkowa znika i w jej miejsce pojawia się równoważna jej materia polowa!

Anihilacja materii podczas zderzeń z cząstkami antymaterii nie dowodzi tego, że antymateria nie jest materią. Antycząstki mogą tworzyć antyatomy (np. antyproton wokół którego krąży antyelektron, to antywodór), których własności fizyczne np. widma promieniowania są identyczne z widmem promieniowania atomów materii. Podobnie własności grawitacyjne antymaterii są identyczne z takimi samymi własnościami materii.

Zbigwie: Co to jest materia?

Antymateria jest także materią!

Istnieje proces odwrotny do anihilacji par, a mianowicie kreacja par cząstek z materii polowej. Jest to jednoczesne pojawienie się elektronu i pozytronu z kwantu pola elektromagnetycznego w silnym polu elektrycznym.

Tym samym, materia w mikro świecie i w ramach stanowiska mechaniki kwantowej, posiada inne właściwości od ciał materialnych na poziomie makroskopowym.

Cząstki elementarne mogą przemieniać się jedna w drugą, jedna cząstka może rozpaść się na wiele innych, czego nie obserwujemy na poziomie makroskopowym – powtórzę za prof. Eine: umywalka nie przemieni się w mydło plus gąbka, a gdy zderzą się czołowo dwa samochody, to nie otrzymujemy sześć nowych samochodów.

Znikanie materii cząstkowej i przemiany pierwiastków obserwujemy w zjawisku promieniotwórczości naturalnej (lub sztucznej), kiedy np. po czasie zwanym okresem połowicznego rozpadu, połowa jąder uranu znika, a pojawiają się jądra atomowe innych pierwiastków.

Inne światło na problem rozumienia materii w fizyce, rzucają obydwie einsteinowskie teorie względności (szczególna STW i ogólna OTW).

Po pierwsze – STW nakłada bardzo silne kryterium na obiekt ,który możemy zaliczyć do materii. Musi on posiadać niezerową masę spoczynkową. Zgodnie z tym kryterium np. fotony (kwanty) pola elektromagnetycznego nie są materią (np. światło)

Po drugie – jeśli się nawet z tym kryterium zgodzimy, to słynna formuła Einsteina

E = m*c^2

wprowadza energię, jako fenomen równoważny atrybutowi materii jakim jest w STW – masa. W sposób oczywisty, materia staje się więc bytem niezwykle subtelnym, przez fakt posiadania konstytutywnej cechy - masy.

Sytuacja się gmatwa jeszcze silniej w obrębie ogólnej teorii względności - OTW.

Tutaj materia jest obdarzona tajemniczą własnością: wywołuje w swym najbliższym otoczeniu zmianę geometrii przestrzeni. Zakrzywia przestrzeń, lub wyrażając się żargonowo: globalnie zmienia metrykę przestrzeni.

Na dodatek, to zakrzywienie jest interpretowane, jako pole grawitacyjne! Czyli w OTW materia ma własność wytwarzania pola grawitacyjnego.

Dlaczego w naszym Wszechświecie jest tak mało antymaterii? Fizyka już ma hipotezy wyjaśniające ten problem!

Pytań jest jednak jeszcze wiele!

Only about 4 percent of the matter in the universe is composed of visible substances. The balance is dark matter and dark energy, although the exact compositions of dark matter and dark energy are yet to be determined. Researchers have proposed several kinds of particles as dark-matter candidates, including a weakly interacting massive particle.

Co stanowi ponad (73 +23)% brakującej masy wszechświata?

A co z "ciemną materią szacowaną na 23% masy wszechświata"? Gdy określimy z czego jest zbudowana, to otrzymamy odpowiedź czy to materia w sensie fizycznym, czy też nie.

Co to jest ciemna energia stanowiąca 73% masy wszechświata?Ciemna energia – wkosmologii jest hipotetyczną formą energii, która wypełnia całą przestrzeń wywiera na nią ujemne ciśnienie (odpychającą grawitację), wywołując rozszerzanie się Wszechświata. Jest to jedno z pojęć wprowadzone w celu wyjaśnienia przyspieszania ekspansji kosmosu oraz problemu brakującej masy we Wszechświecie. Niektórzy uczeni twierdzą, że ciemna materia nie istnieje i jest pojęciem z dziedziny science fiction.

Jak wynika powyższego obrazka ciemna energia stanowić ma o przyszłości całego naszego Wszechświata.

A tu masz Ci! Niektórzy twierdzą, że ciemna energia nie istnieje!

Ja się nie zgadzam i protestuję! Coś, co ma stanowić o przyszłości naszego całego Wszechświata ma okazać się terminem pochodzącym z powieści science fiction. To musi być pomyłka i błąd uczonych. Pierwszy popełnił ten błąd już dawno sam Wielki Einstein odrzucając stałą kosmologiczną w swoich równaniach. Już miałem nadzieję, że błąd został naprawiony na zawsze i w moich opowiadaniach science fiction przyjąłem, że ciemna energie istnieje i stanowi nawet napęd statków kosmicznych najbardziej rozwiniętej cywilizacji Wszechświata. Co więcej, ciemna energia jest tam wykorzystywana jako swoista otulina, kokon statku kosmicznego, ochraniająca go przed wszelkimi niebezpieczeństwami kosmosu. Ba, zabezpiecza również statek przy dokonywaniu bezczasowego tunelowania do innego wszechświata poprzez NIC między wszechświatami! W związku z tym, stanowczo nie zgadzam się z poglądami niektórych uczonych, że ciemna energia nie istnieje!

Czy istnieje „cząstka Boga” zwana też przez fizyków „boską cząstką’, czyli bozon Higgsa i pole Higgsa, które wszystkim innym cząstkom nadaję masę?

Czy grawitacja to materia? A może grawitacja jest związana z entropią?

Ot, tych pytań związanych z materią we współczesnej nauce jest cała masa! Przepraszam! Nie mogę napisać cała masa, bo to pojęcie fizyczne, a masa nie wiadomo skąd się bierze! Podobno z pola Higgsa, o którym pisałem wcześniej.

Więc przeformułuję to stwierdzenie i zamiast kolokwialnie cała masa należy napisać: ogromna ilość!

- No tak, ale jaka jest ta definicja materii?

- Jest taka jak tu napisałem!

- Słucham? Niejasno napisałem?

- To znajdź sobie lepsze definicje! Jest ich mnóstwo!

- O materii możesz sobie więcej poczytaću profesora fizyki Eine, skąd i ja zaczerpnąłem wiele.

- No tak, ale co to jest ta masa?

- Nie będę Ci tego już wyjaśniał! Poszukaj sobie definicji sam i poczytaj skąd ona się bierze, ta masa! Nie łudź się! Będziesz miał problemy!

- No dobrze! A skąd się wzięła materia?

- Została stworzona z niczego! Obejrzyj sobie na filmie: