Importam - Matter


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Importam
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2.jpg Plasma-lâmpada
A matéria é geralmente classificados em três estados clássicos , com plasma , por vezes, adicionado como um quarto estado. De cima para baixo: quartzo ( sólido ), água ( líquido ), o dióxido de azoto ( gás ), e um globo de plasma ( plasma ).

Na física clássica e na química das coisas da vida cotidiana, a matéria é qualquer substância que tem massa e ocupa espaço por ter de volume . Todos os objectos do quotidiano que podemos tocar são em última análise, composta de átomos , que são compostos de interagir partículas subatômicas , e em todos os dias, bem como o uso científico, "matéria" geralmente inclui átomos e nada fizeram-se deles, e quaisquer partículas (ou combinação de partículas ) que actuam como se eles têm ambos massa de repouso e de volume. No entanto ele não inclui partículas sem massa , tais como fotões , ou outros fenómenos de energia ou de ondas, tais como a luz ou o som . A matéria existe em vários estados (também conhecidas como fases ). Estes incluem fases diárias clássicos, tais como sólidos , líquidos e gases - por exemplo água existe na forma de gelo, água líquida e de vapor gasoso - mas outros estados são possíveis, incluindo plasma , Bose-Einstein , condensados fermiônicos , e plasma quark-gluão .

Normalmente, os átomos podem ser imaginado como um núcleo de prótons e nêutrons , e uma "nuvem" em torno da órbita de elétrons que "ocupam espaço". No entanto, este é apenas um pouco correto, porque as partículas subatômicas e suas propriedades são regidos pela sua natureza quântica , o que significa que eles não agem como objetos cotidianos parecem agir - eles podem agir como ondas, bem como partículas e eles não têm bem definida tamanhos ou posições. No Modelo Padrão da física de partículas , a matéria não é um conceito fundamental porque os constituintes elementares dos átomos são quântica entidades que não têm um "tamanho" inerente ou " o volume " em qualquer sentido comum da palavra. Devido ao princípio de exclusão e outras interacções fundamentais , alguns " partículas pontuais " conhecidos como férmions ( quarks , leptones ), e muitos compostos e átomos, estão eficazmente forçado a manter uma distância a partir de outras partículas sob condições diárias; isso cria a propriedade da matéria que nos aparece como matéria ocupando espaço.

Durante grande parte da história das ciências naturais as pessoas têm contemplado a natureza exata da matéria. A idéia de que a matéria foi construída de blocos de construção distintos, a chamada teoria corpuscular da matéria , foi apresentada pela primeira vez pela filósofos gregos Leucipo (~ 490 aC) e Demócrito (~ 470-380 aC).

A comparação com massa

A matéria não deve ser confundida com a massa, como os dois não são o mesmo na física moderna. A matéria é um termo genérico para descrever qualquer ' substância física' . Por outro lado, a massa não é uma substância, mas sim uma quantitativa propriedades da matéria e outras substâncias ou sistemas; vários tipos de massa são definidas dentro física - incluindo mas não limitado a massa de repouso , massa inercial , massa relativística , massa-energia .

Embora existam diferentes opiniões sobre o que deve ser considerado matéria, a massa de uma substância tem definições científicas exatas. Outra diferença é que a matéria tem um "oposto" chamada de antimatéria, mas a massa não tem oposto-não existe tal coisa como "anti-massa" ou massa negativa , tanto quanto se sabe, embora os cientistas fazem discutir o conceito. Antimatéria tem a mesma propriedade de massa (ou seja positivo) como o seu homólogo matéria normal.

Diferentes campos da ciência usar o assunto termo em diferentes, e por vezes incompatíveis, maneiras. Algumas destas formas são baseadas em significados históricos soltas, de uma época em que não havia nenhuma razão para distinguir massa de simplesmente uma quantidade de matéria. Como tal, não há nenhum significado científico universalmente aceito única da palavra "matéria". Cientificamente, o termo "massa" é bem definida, mas "matéria" pode ser definido de várias maneiras. Às vezes, no campo da física "matéria" é simplesmente equiparada com partículas que apresentam massa de repouso (ou seja, que não podem viajar à velocidade da luz), tais como quarks e léptons. No entanto, em ambos os física e química , a matéria exibe tanto onda -like e partícula -like propriedades, o chamado dualidade onda-partícula .

Definição

Com base em átomos

Uma definição de "matéria" com base na sua estrutura física e química é: matéria é composta por átomos . Tal matéria atômica às vezes também é chamado de matéria comum . Como um exemplo, ácidos desoxirribonucleicos moléculas (DNA) são matéria segundo esta definição, porque eles são feitos de átomos. Esta definição pode ser estendido para incluir os átomos e moléculas carregadas, de modo a incluir os plasmas (gases de iões) e electrólitos (soluções iónicas), que não são obviamente incluídas na definição de átomos. Alternativamente, pode-se adotar a prótons, nêutrons e elétrons definição .

Com base em protões, neutrões e electrões

A definição de "matéria" fine-escala mais do que a definição átomos e moléculas é: a matéria é composta de que átomos e moléculas são feitas de , ou seja, qualquer coisa feita de carregados positivamente prótons , neutros nêutrons , e negativamente carregados elétrons . Esta definição vai além de átomos e moléculas, no entanto, para incluir substâncias feitas a partir destes blocos de construção que são não simplesmente átomos ou moléculas, por exemplo feixes de electrões em uma idade de raios catódicos tubo de televisão, ou brancas anãs matéria-tipicamente, de carbono e de oxigénio núcleos um mar de electrões degenerados. A um nível microscópico, os constituintes "partículas" de matéria, tais como protões, neutrões e electrões obedecer as leis de mecânica quântica e exibem dualidade onda-partícula. Em um nível ainda mais profundo, prótons e nêutrons são compostos de quarks e os campos de força ( glúons ) que os unem, levando à próxima definição.

Baseado em quarks e léptons

Sob a "quark e leptones" definição, as partículas elementares e os compósitos feitos de quark (em roxo) e leptones (em verde) seria matéria-enquanto os bosões de calibre (em vermelho) não seria matéria. No entanto, inerente à energia de interacção partículas compósitas (por exemplo, glúons envolvidas em neutrões e protões) contribuir para a massa de matéria comum.

Como visto na discussão acima, muitos dos primeiros definições do que pode ser chamado de "matéria comum" foram baseadas em sua estrutura ou "blocos de construção". Na escala das partículas elementares, uma definição que segue essa tradição pode ser declarado como: "matéria comum é tudo que é composto de quarks e léptons ", ou "matéria comum é tudo que é composto de qualquer férmions elementares exceto antiquarks e antileptons" . A ligação entre estas formulações segue.

Léptons (sendo o mais famoso o de electrões ), e quarks (dos quais bariones , tais como protões e neutrões , são feitas) se combinam para formar átomos , os quais por sua vez formam moléculas . Porque os átomos e moléculas são disse a ser matéria, é natural que a frase a definição como: "matéria ordinária é qualquer coisa que é feita das mesmas coisas que os átomos e moléculas são feitas de". (No entanto, observe que também se pode fazer a partir destes blocos de construção da matéria que é não átomos ou moléculas). Então, porque os elétrons estão léptons, e prótons e nêutrons são feitos de quarks, esta definição por sua vez leva à definição da matéria como sendo "quark e leptones", que são dois dos quatro tipos de fermiones elementares (sendo os outros dois antiquarks e antileptons, o que pode ser considerado anti-matéria, tal como descrito mais tarde). Carithers e Grannis estado: "matéria comum é composta inteiramente de primeira-geração de partículas, ou seja, os [acima] e [inferior] quark, além do electrão e seu neutrino." (Gerações partículas mais elevadas decair rapidamente em partículas da primeira geração e, portanto, não são geralmente encontrados.)

Esta definição de matéria ordinária é mais sutil do que parece à primeira vista. Todas as partículas que compõem a matéria ordinária (léptons e quarks) são férmions elementares, enquanto todos os portadores da força são bósons elementares. Os bósons W e Z , que medeiam a força fraca não são feitos de quarks ou léptons, e por isso não são matéria comum, mesmo se eles têm massa. Em outras palavras, a massa não é algo que é exclusivo para a matéria comum.

A definição quark-leptão de matéria comum, no entanto, não identifica apenas os blocos de construção elementares da matéria, mas também inclui compostos feitos a partir dos constituintes (átomos e moléculas, por exemplo). Tais compósitos contêm uma energia de interacção que contém os constituintes em conjunto, e podem constituir a maior parte da massa do compósito. Como um exemplo, para uma grande extensão, a massa de um átomo é simplesmente a soma das massas dos seus constituintes protões, neutrões e electrões. No entanto, cavando mais fundo, os prótons e nêutrons são compostos de quarks unidos por campos glúons (ver dinâmica da cromodinâmica quântica ) e esses glúons campos contribuem significativamente para a massa de hádrons. Em outras palavras, mais do que compõe a "massa" de matéria comum é devido à energia de ligação de quarks dentro de prótons e nêutrons. Por exemplo, a soma das massas das três quark em um nucleão é de aproximadamente 12,5  MeV / c 2 , o que é baixo quando comparado com a massa de um nucleão (cerca de 938  MeV / c 2 ). A linha inferior é que a maioria da massa de objetos do cotidiano vem da energia de interação de seus componentes elementares.

Os grupos modelo padrão partículas de matéria em três gerações, em que cada geração é composto de duas quark e dois leptones. A primeira geração é as para cima e para baixo quark, o electrão e o neutrino de electrões ; a segunda inclui as encanto e estranhos quark, o múon e o neutrino múon ; a terceira geração consiste na parte superior e inferior quark e a tau e tau neutrino . A explicação mais natural para isso seria que os quarks e léptons das gerações mais altas são estados excitados das primeiras gerações. Se isso acaba por ser o caso, isso implicaria que quarks e léptons são partículas compostas , em vez de partículas elementares .

Esta definição quark-lepton da matéria também leva ao que pode ser descrito como "conservação da (líquido) Matéria" leis discutido mais tarde abaixo. Alternativamente, pode-se voltar para o conceito de volume do espaço de massa da matéria, que conduz à seguinte definição, em que anti-matéria torna-se incluído como uma subclasse da matéria.

Com base em fermiones elementares (massa, volume, e espaciais)

Uma definição comum ou tradicional da matéria é "qualquer coisa que tem massa e de volume (ocupa espaço )". Por exemplo, seria dito um carro a ser feito de matéria, já que tem massa e volume (ocupa espaço).

A observação de que ocupa matéria do espaço remonta à antiguidade. No entanto, uma explicação para por que a matéria ocupa espaço é recente, e argumenta-se que seja um resultado do fenômeno descrito no princípio de exclusão de Pauli , que se aplica a férmions . Dois exemplos particulares onde princípio de exclusão se relaciona claramente assunto para a ocupação do espaço são estrelas anãs brancas e estrelas de nêutrons, discutido mais adiante.

Assim, a matéria pode ser definida como tudo composta de férmions elementares. Apesar de não encontrá-los na vida cotidiana, antiquarks (como o antipróton ) e antileptons (como o de pósitrons ) são as antipartículas do quark eo lepton, são férmions elementares, bem como, e têm essencialmente as mesmas propriedades como quarks e leptones, incluindo a aplicação do princípio de exclusão de Pauli que pode ser dito para evitar duas partículas de estar no mesmo local, ao mesmo tempo (no mesmo estado), ou seja, faz com que cada partícula "ocupam espaço". Esta definição particular leva a matéria a ser definido para incluir qualquer coisa feita destes antimatéria partículas, bem como o quark comum e leptão, e, assim, também feita de qualquer coisa mesões , que são partículas instáveis constituídos de um quark e um antiquark.

Na relatividade geral e cosmologia

No contexto da relatividade , a massa não é uma quantidade de aditivos, no sentido de que não se pode adicionar as massas de descanso de partículas em um sistema para obter a massa total restante do sistema. Assim, na relatividade geral uma visão mais geral é que não é a soma das massas de repouso , mas o tensor energia-momento que quantifica a quantidade de matéria. Esse tensor dá a massa de repouso para todo o sistema. "Matéria", portanto, às vezes é considerado como algo que contribui para a energia-momentum de um sistema, isto é, qualquer coisa que não é puramente gravidade. Este ponto de vista é comumente realizada em campos que lidam com a relatividade geral , tais como a cosmologia . Neste ponto de vista, luz e outras partículas sem massa e campos são todos parte da "matéria".

Estrutura

Em física de partículas, fermiones são partículas que obedecem a estatística de Fermi-Dirac . Férmions pode ser primária, como o de electrões ou compósito, como o protão e de neutrões. No modelo padrão , existem dois tipos de férmions elementares: os quarks e léptons, que são discutidas a seguir.

quarks

Quarks são partículas de spin- 1 / 2 , o que implica que eles são fermiones . Eles exercem uma carga eléctrica de - 1 / 3  e (quark para baixo-tipo) ou + 2 / 3  e (up-tipo quark). Para efeitos de comparação, um electrão tem uma carga de -1 e. Eles também carregam carga de cor , que é o equivalente da carga elétrica para a interação forte . Quark também sofrer decaimento radioactivo , o que significa que elas são sujeitas à interacção fraca . Quarks são partículas em massa, e, por conseguinte, também estão sujeitos a gravidade .

Propriedades Quark
nome símbolo girar carga elétrica
( e )
massa
( MeV / c 2 )
massa comparável à antipartícula antipartícula
símbolo
quark up-tipo
acima
você
1 / 2 + 2 / 3 1,5-3,3 ~ 5 electrões antiup
você
charme
c
1 / 2 + 2 / 3 1160-1340 ~ 1 protão anticharm
c
topo
t
1 / 2 + 2 / 3 169100 para 173300 ~ 180 protões ou
~ 1 tungsténio átomo
Antitop
t
down-tipo quarks
baixa
d
1 / 2 - 1 / 3 3,5 a 6,0 ~ 10 electrões antidown
d
estranho
s
1 / 2 - 1 / 3 70-130 ~ 200 electrões antistrange
s
inferior
b
1 / 2 - 1 / 3 4.130-4.370 ~ 5 protões antibottom
b
estrutura quark de um protão: 2 até quark e um baixo quark.

matéria bariônica

Bárions estão interagindo fortemente férmions, e por isso estão sujeitas a estatística de Fermi-Dirac. Entre os bárions são os prótons e nêutrons, que ocorrem no núcleo atômico, mas muitos outros bárions instáveis existem também. O termo bárion geralmente refere-se a triquarks-partículas feitas de três quark. Além disso, bárions "exóticos" feito de quatro quarks e um antiquark são conhecidos como pentaquarks , mas sua existência não é geralmente aceite.

Baryonic questão é a parte do universo que é feita de bariones (incluindo todos os átomos). Esta parte do universo não inclui a energia escura , matéria escura , buracos negros ou várias formas de matéria degenerada, como compor anãs brancas estrelas e estrelas de nêutrons . Luz microondas visto por Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), sugere que apenas cerca de 4,6% da parcela do universo dentro do alcance dos melhores telescópios (ou seja, a matéria que pode ser visível porque a luz pode chegar até nós a partir dele), é feita questão de bariônica. Sobre 26,8% é matéria escura, e cerca de 68,3% é energia escura.

Por uma questão de fato, a grande maioria de matéria comum no universo é invisível, desde estrelas visíveis e gás dentro de galáxias e aglomerados representam menos de 10 por cento da contribuição matéria comum para a densidade de massa-energia do universo.

Uma comparação entre a anã branca IK Pegasi B (centro), o seu A-classe companheiro IK Pegasi A (esquerda) e o Sol (à direita). Este anão branco tem uma temperatura de superfície de 35.500 K.

matéria hadrônica

Hadrônicas matéria pode referir-se a matéria 'comum' bariónica, feita a partir de hadríons ( Bárions e mesões ), ou matéria quark (uma generalização de núcleos atómicos), isto é. o 'baixo' temperatura matéria qcd . Ele inclui matéria degenerada e o resultado de alta energia colisões de núcleos pesados. Distinta da matéria escura .

matéria degenerada

Na física, matéria degenerada refere-se ao estado fundamental de um gás de fermiones a uma temperatura próxima do zero absoluto. O princípio de exclusão de Pauli exige que apenas dois férmions pode ocupar um estado quântico, uma spin-up e outro spin-down. Assim, à temperatura de zero, as fermiones encher níveis suficientes para acomodar todos os disponíveis fermiones-e, no caso de muitos fermiones, a energia cinética máxima (chamado a energia de Fermi ) e a pressão do gás torna-se muito grande, e depende o número de férmions, em vez da temperatura, ao contrário de estados normais da matéria.

Matéria degenerada é pensado para ocorrer durante a evolução de estrelas pesadas. A demonstração por Subrahmanyan Chandrasekhar que estrelas anãs brancas têm um máximo permitido de massa por causa do princípio de exclusão causou uma revolução na teoria da evolução estrela.

matéria degenerada inclui a parte do universo que é composta de estrelas de nêutrons e anãs brancas.

matéria estranha

Matéria estranha é uma forma particular de matéria quark , geralmente considerado como um líquido de cima , para baixo , e estranhos quarks . Ele é contrastada com a matéria nuclear , que é um líquido de nêutrons e prótons (que em si são construídos a partir de quarks up e down), e com a matéria quark não estranha, que é um líquido quark que contém apenas quarks up e down. No densidade suficiente alta, matéria estranha é esperado para ser supercondutora de cor . Matéria estranha é a hipótese de ocorrer no núcleo de estrelas de neutrões , ou, mais especulativa, como gotículas isoladas que podem variar em tamanho de femtometers ( strangelets ) para km ( estrelas quark ).

"Matéria estranha" dois significados do termo

Em física de partículas e astrofísica , o termo é usado de duas maneiras, um mais amplo e a outra mais específica.

  1. O significado mais amplo é apenas matéria quark que contém três sabores de quarks: cima, baixo, e estranhas. Nesta definição, existe uma pressão crítica e uma densidade crítica associada, e quando a matéria nuclear (feito de protões e neutrões ) é comprimida para além desta densidade, os protões e neutrões dissociar-se em quark, obtendo-se a matéria quark (assunto provavelmente estranho).
  2. O significado mais estreito é matéria quark que é mais estável do que a matéria nuclear . A ideia de que isso poderia acontecer é a "hipótese de matéria estranha" de Bodmer e Witten. Nesta definição, a pressão crítica é zero: o verdadeiro estado fundamental da matéria é sempre matéria quark. Os núcleos que vemos na matéria que nos rodeia, que são gotículas de matéria nuclear, são realmente metaestável , e dado tempo suficiente (ou o estímulo externo à direita) iria decair em gotículas de matéria estranha, ou seja strangelets .

léptons

Léptons são partículas de spin- 1 / 2 , o que significa que eles são fermiones . Eles exercem uma carga eléctrica de -1  e (leptones carregadas) ou 0-E (neutrinos). Ao contrário de quarks, léptons não carregam carga de cor , o que significa que eles não experimentar a interação forte . Léptons também sofrer decaimento radioactivo, o que significa que elas são sujeitas à interacção fraca . Léptons são partículas massivas, por conseguinte estão sujeitos a gravidade.

Propriedades Lepton
nome símbolo girar carga elétrica
( e )
massa
( MeV / c 2 )
massa comparável à antipartícula antipartícula
símbolo
léptons carregados
elétron
e -
1 / 2 -1 0,5110 um electrão antielétron
e +
múon
μ -
1 / 2 -1 105,7 ~ 200 electrões antimuão
μ +
tau
τ -
1 / 2 -1 1.777 ~ 2 protões antitau
τ +
neutrinos
neutrino do elétron
ν
e
1 / 2 0 <0.000460 < 1 / 1000 electrões antineutrino do elétron
ν
e
neutrino do múon
ν
μ
1 / 2 0 <0,19 < 1 / 2 electrões antineutrino múon
ν
μ
neutrino tau
ν
τ
1 / 2 0 <18,2 <40 elétrons antineutrino tau
ν
τ

fases

Diagrama de fase para uma substância normal a um volume fixo. O eixo vertical é P ressão, o eixo horizontal é o t emperatura. A linha verde marca o ponto de congelação (acima da linha verde é sólido , a seguir é líquido ) e a linha azul o ponto de ebulição (de cima é líquido e abaixo é gás ). Assim, por exemplo, em maior T , uma maior P é necessária para manter a substância na fase líquida. No ponto triplo as três fases; líquido, gás e sólidos; podem coexistir. Acima do ponto crítico , não há diferença detectável entre as fases. A linha pontilhada mostra o comportamento anómalo de água : gelo derrete a uma temperatura constante com o aumento da pressão.

Em grandes quantidades , a matéria pode existir em várias formas diferentes, ou estados de agregação, conhecidas como fases , dependendo do ambiente da pressão , da temperatura e do volume . Um fase é uma forma de matéria que tem uma composição química relativamente uniforme e propriedades físicas (tais como a densidade , calor específico , índice de refracção , e assim por diante). Estas fases incluem os três familiares ( sólidos , líquidos e gases ), bem como estados mais exóticas de matéria (tais como os plasmas , superfluídos , SuperSolids , Bose-Einstein , ...). Um fluido pode ser um líquido, gás ou de plasma. Há também são paramagnéticos e ferromagnéticos fases de materiais magnéticos . A alteração das condições, a matéria pode mudar de uma fase para outra. Esses fenômenos são chamados de transições de fase , e são estudadas no campo da termodinâmica . Em nanomateriais, o grande aumento da proporção de área de superfície para volume resulta na matéria que podem exibir propriedades totalmente diferentes das do material em massa, e não é bem descrito por qualquer fase de massa (ver nanomateriais para mais detalhes).

Fases são às vezes chamados estados da matéria , mas este prazo pode levar a confusão com estados termodinâmicos . Por exemplo, dois gases mantidos a pressões diferentes estão em diferentes estados thermodynamic (pressões diferentes), mas na mesma fase (ambos gases são).

Antimatéria

pergunta dropshade.png Problema não resolvido na física :
Assimetria bariônica . Por que há muito mais matéria do que antimatéria no universo observável?
(problemas não resolvidos em mais física)

Em física de partículas e química quântica , a antimatéria é matéria que é composto das antipartículas dos que constituem a matéria ordinária. Se uma partícula e a sua anti entrar em contacto um com o outro, os dois aniquilar ; isto é, eles podem ambos ser convertido em outras partículas com igual energia de acordo com Einstein equação de E = mc 2 . Estas novas partículas podem ser de alta energia fótons ( raios gama ) ou outros pares partula-antiparticle. As partículas resultantes são dotados com uma quantidade de energia cinética igual à diferença entre a massa restante dos produtos da aniquilação e a massa restante do par partícula-anti-partícula original, o que é muitas vezes bastante grande. Dependendo da definição de "matéria" é adotado, a antimatéria pode ser dito para ser uma subclasse particular da matéria, ou o oposto da matéria.

ANTIMATÉRIA não é encontrado naturalmente na Terra, excepto muito brevemente e em infimamente pequenas quantidades (como o resultado de decaimento radioactivo , um raio ou raios cósmicos ). Isso ocorre porque a antimatéria que veio a existir na Terra fora dos limites de um laboratório de física adequada seria quase que instantaneamente atender a matéria comum que a Terra é feita de, e ser aniquilado. Antipartículas e alguns anti-matéria estável (tal como anti-hidrogênio ) pode ser feita em pequenas quantidades, mas não em quantidade suficiente para fazer mais do que testar algumas das suas propriedades teóricas.

Há especulações consideráveis tanto em ciência e ficção científica de por que o universo observável é, aparentemente, quase inteiramente a matéria (no sentido de quarks e léptons, mas não antiquarks ou antileptons), e se outros lugares são quase inteiramente de antimatéria (antiquarks e antileptons) em vez . No início do universo, pensa-se que a matéria ea antimatéria foram igualmente representados, e o desaparecimento da antimatéria requer uma assimetria nas leis físicas chamados CP (carga-paridade) simetria violação , que podem ser obtidos a partir do modelo padrão, mas neste momento a aparente assimetria da matéria e antimatéria no universo visível é um dos grandes problemas não resolvidos da física . Processos possíveis por que isso aconteceu são exploradas com mais detalhes sob bariogênese .

Formalmente, as partículas de anti-matéria pode ser definido pela sua negativa número bárion ou leptão número , enquanto (não-antimatéria) partículas de matéria "normais" têm bárion positivo ou número lepton. Estas duas classes de partículas são os parceiros antipartícula de um outro.

Em outubro de 2017, cientistas relataram mais evidências de que matéria e antimatéria , igualmente produzido no Big Bang , são idênticos, deve aniquilar completamente o outro e, como resultado, o universo não deveria existir. Isto implica que deve haver alguma coisa, ainda desconhecido para os cientistas, que ou pararam a destruição mútua completa de matéria e antimatéria no universo formando cedo, ou que deu origem a um desequilíbrio entre as duas formas.

Conservação da matéria

Duas quantidades que podem definir uma quantidade de matéria no sentido quark-leptão (e a anti-sentido numa antiquark-antilepton), Número bárion e Número leptão , são conservados no modelo padrão. Um bárion tal como a de protões ou neutrões tem um número bárion de um, e um quark, porque há três em um bárion, é dado um número bárion de 1/3. Assim, o valor líquido da matéria, como medido pelo número de quarks (menos o número de antiquarks, que cada um tem um número baryon de -1/3), que é proporcional ao número de bárions e número de léptons (menos antileptons), que é chamado o número lepton, é praticamente impossível mudar em qualquer processo. Mesmo em uma bomba nuclear, nenhum dos bariones (protões e neutrões de que os núcleos atómicos são compostos) são destruídos-existem tantos bariones após como antes da reacção, de modo que nenhuma destas partículas de matéria são efectivamente destruídas e nenhum é ainda convertido para partículas não-matéria (como fotões de luz ou radiação). Em vez disso, nuclear (e talvez chromodynamic) energia de ligação é libertado, uma vez que estes bariones tornar-se ligado em núcleos de tamanho médio com menos energia (e, de forma equivalente , menos massa) por núcleo em comparação com o original pequena (hidrogénio) e grande (plutónio etc. ) núcleos. Mesmo na aniquilação elétron-pósitron , não há matéria líquida que está sendo destruído, porque não havia matéria líquido zero (zero número total lepton e número baryon) para começar antes da aniquilação e um lepton menos um antilepton igual a zero lepton net número e este quantidade importa líquida não muda como ele simplesmente permanece zero depois da aniquilação. Assim, a única maneira de realmente "destruir" ou "converter" matéria comum é a emparelhá-lo com a mesma quantidade de antimatéria para que a sua "matterness" anula-mas na prática não há quase nenhuma antimatéria geralmente disponíveis no universo (ver baryon assimetria e leptogénese ) com o qual a fazê-lo.

Outros tipos

Gráfico mostrando as fracções de energia no universo contribuiu por diferentes fontes. Matéria comum é dividido em matéria luminosa (as estrelas e gases luminosos e da radiação de 0,005%) e matéria não luminosa (gás intergaláctico e cerca de 0,1% e 0,04% neutrinos buracos negros). Matéria comum é incomum. Modelado após Ostriker e Steinhardt. Para mais informações, consulte NASA .

Matéria comum, na definição quarks e léptons, constitui cerca de 4% da energia do universo observável . A energia restante é teorizada como sendo devido a formas exóticas, dos quais 23% é matéria escura e 73% é a energia escura .

Curva de rotação Galaxy para a maneira leitosa. Eixo vertical é a velocidade de rotação em torno do centro da galáxia. Eixo horizontal é a distância do centro galáctico. O sol é marcado com uma bola amarela. A curva observada da velocidade de rotação é azul. A curva prevista com base na massa estelar e gás na maneira leitosa é vermelha. A diferença deve-se a matéria escura ou talvez uma modificação da lei da gravidade . Dispersão em observações é indicado por barras cinzentas aproximadamente.

Matéria escura

Em astrofísica e cosmologia , a matéria escura é questão de composição desconhecida que não emite ou reflecte a radiação eletromagnética suficiente para ser observado diretamente, mas cuja presença pode ser inferida a partir de efeitos gravitacionais sobre a matéria visível. Evidência observacional do início do universo eo Big Bang teoria exigem que esta matéria tem energia e massa, mas não é composto bárions ordinárias (prótons e nêutrons). A visão comumente aceita é que a maior parte da matéria escura é não-bariônica na natureza . Como tal, ele é composto de partículas que ainda não observada no laboratório. Talvez eles são partículas super-simétricas , que não são Modelo Padrão partículas, mas relíquias formados em energias muito elevadas na fase inicial do universo e ainda flutuante sobre.

Energia escura

Em cosmologia , energia escura é o nome dado a fonte da influência repelindo que está acelerando a taxa de expansão do universo . Sua natureza precisa é atualmente um mistério, embora os seus efeitos podem ser razoavelmente modelados atribuindo propriedades da matéria-like, como a densidade de energia e pressão ao vácuo si.

Totalmente 70% da densidade de matéria no universo parece ser na forma de energia escura. Vinte e seis por cento é a matéria escura. Apenas 4% é matéria comum. Então, menos de 1 parte em 20 é feito da matéria temos observado experimentalmente ou descrita no modelo padrão da física de partículas. Dos outros 96%, além das propriedades que acabamos de mencionar, não sabemos absolutamente nada.

-  Lee Smolin : The Trouble with Physics , p. 16

matéria exótica

Matéria exótica é um conceito da física de partículas , que pode incluir matéria escura e energia escura mas vai mais longe para incluir qualquer material hipotético que viola uma ou mais das propriedades de formas conhecidas da matéria. Alguns desses materiais podem possuir propriedades hipotéticas como massa negativa .

Desenvolvimento histórico

Antiguidade (c. 610 aC-c. 322 aC)

Os pré-socráticos estavam entre os especuladores primeiro gravadas sobre a natureza subjacente do mundo visível. Thales (c. 624 aC-c. 546 aC) considerado água como material fundamental do mundo. Anaximander (.. C 610 aC-c 546 aC) postulou que o material de base era totalmente enfadonhos ou sem limites: o infinito ( ápeiron ). Anaximenes (floresceu 585 aC, d. 528 aC) postulou que o material de base era pneuma ou ar. Heráclito (c. 535-c. 475 aC) parece dizer o elemento básico é o fogo, embora talvez ele quer dizer que tudo é mudança. Empédocles (. C 490-430 aC) falou de quatro elementos de que tudo foi feito: terra, água, ar e fogo. Enquanto isso, Parmênides argumentou que a mudança não existe, e Demócrito argumentou que tudo é composto de corpos minúsculos, inertes de todas as formas chamadas átomos, uma filosofia chamada atomismo . Todas estas noções teve problemas profundamente filosóficas.

Aristóteles (384 aC - 322 aC) foi o primeiro a colocar a concepção em uma base filosófica som, o que ele fez em sua filosofia natural, especialmente em Física livro I. Ele adotou suposições como razoáveis os quatro elementos Empedoclean , mas acrescentou um quinto, éter . No entanto, estes elementos não são básicos na mente de Aristóteles. Ao contrário, eles, como tudo no mundo visível, são compostas dos básicos princípios matéria e forma.

Para a minha definição da matéria é apenas isso-a principal substrato de cada coisa, a partir do qual se trata de ficar sem qualificação, e que persiste no resultado.

-  Aristóteles, Física I: 9: 192a32

A palavra Aristóteles utiliza para a matéria, ὕλη ( hyle ou hule ) , pode ser traduzido literalmente como a madeira ou a madeira, ou seja, "matéria-prima" para a construção. Na verdade, a concepção da matéria de Aristóteles está intrinsecamente ligada a algo sendo feito ou composto. Em outras palavras, em contraste com a concepção moderna precoce de espaço importa como simplesmente ocupando, importa, para Aristóteles, é por definição estão ligados ao processo ou alterar: a matéria é o que subjaz uma mudança de substância. Por exemplo, um cavalo come a grama: o cavalo muda a grama em si mesmo; a grama, como tal, não persiste no cavalo, mas algum aspecto do it-sua matéria-faz. A questão não é especificamente descrita (por exemplo, como átomos ), mas consiste de qualquer persistir na mudança de substância a partir de erva de cavalo. Importa neste entendimento não existe independentemente (isto é, como uma substância ), mas existe interdependente (ou seja, como um "princípio") com forma e apenas na medida em que está subjacente a mudança. Ele pode ser útil para conceber a relação de matéria e forma como muito semelhante à que existe entre partes eo todo. Para Aristóteles, a matéria, como tal, só pode receber a realidade de forma; não tem nenhuma atividade ou realidade em si, similar à maneira que peças como tal, só têm sua existência em um todo (caso contrário eles seriam totalidades independentes).

séculos XVII e XVIII

René Descartes (1596-1650) originou a concepção moderna da matéria. Ele era essencialmente um geômetra. Em vez de, como Aristóteles, deduzir a existência da matéria a partir da realidade física da mudança, Descartes postulou arbitrariamente assunto para ser uma substância abstrato, matemático que ocupa espaço:

Assim, a extensão em comprimento, largura e profundidade, constitui a natureza da substância corporal; e do pensamento constitui a natureza da substância pensante. E tudo o mais atribuível ao corpo pressupõe extensão, e está a apenas um modo de estendido

-  René Descartes, Princípios da Filosofia

Para Descartes, a matéria tem apenas a propriedade de extensão, pelo que a sua única atividade além de locomoção é de excluir outros organismos: esta é a filosofia mecânica . Descartes faz uma distinção absoluta entre a mente, que ele define como unextended, substância pensante, e importa, que ele define como substância pensante, estendido. São coisas independentes. Em contraste, Aristóteles define a matéria e o / formando princípio formal como complementares princípios que juntos formam uma coisa independente ( substância ). Em suma, Aristóteles define a matéria (grosso modo) como o que as coisas são realmente feitas de (com um potencial de existência independente), mas Descartes eleva assunto para uma coisa real independente em si mesmo.

A continuidade ea diferença entre Descartes e concepções de Aristóteles é notável. Em ambas as concepções, a matéria é passiva ou inerte. Nas respectivas concepções matéria tem diferentes relações com inteligência. Para Aristóteles, matéria e inteligência (formulário) existem juntos em uma relação de interdependência, enquanto que para Descartes, matéria e inteligência (mente) são por definição oposição, independentes substâncias .

justificação de Descartes para restringir as qualidades inerentes da matéria a extensão é a sua permanência, mas seu critério real não é a permanência (que igualmente aplicada a cor e resistência), mas seu desejo de utilizar a geometria para explicar todas as propriedades do material. Como Descartes, Hobbes, Boyle e Locke argumentou que as propriedades inerentes de corpos foram limitados a extensão, e que os chamados qualidades secundárias, como cor, eram apenas produtos da percepção humana.

Isaac Newton (1643-1727) herdou concepção mecânica de Descartes da matéria. Na terceira de suas "regras de raciocínio em Filosofia", Newton lista as qualidades universais da matéria como "extensão, dureza, impenetrabilidade, mobilidade e inércia". Da mesma forma em Optics ele conjectura que Deus criou a matéria como "sólida, Massy,, impenetrável, partículas móveis duros", que eram "... mesmo assim muito duro como nunca usar ou quebrar em pedaços". As propriedades "primárias" da matéria eram passíveis de descrição matemática, ao contrário qualidades "secundárias", como cor ou sabor. Como Descartes, Newton rejeitou a natureza essencial de qualidades secundárias.

Newton desenvolveu noção de matéria Descartes, restaurando a matéria propriedades intrínsecas em adição a extensão (pelo menos numa base limitada), tal como a massa. uso de Newton da força gravitacional, que trabalhou "à distância", efetivamente repudiou a mecânica de Descartes, em que interações aconteceram exclusivamente por contato.

Embora gravidade de Newton parece ser uma potência de corpos, o próprio Newton não admiti-lo para ser um essencial propriedade da matéria. Levar a lógica para a frente de forma mais consistente, Joseph Priestley (1733-1804) argumentou que bens materiais transcender a mecânica de contato: propriedades químicas exigem a capacidade de atração. Ele argumentou matéria tem outros poderes inerentes além dos chamados qualidades primárias de Descartes, et al.

XIX e XX

Desde o tempo de Priestley, tem havido uma enorme expansão no conhecimento dos constituintes do mundo material (viz., Moléculas, átomos, partículas subatômicas), mas não houve nenhum desenvolvimento adicional na definição da matéria. Pelo contrário, a questão foi posta de lado. Noam Chomsky (nascido em 1928) resume a situação que prevaleceu desde então:

Qual é o conceito de corpo que finalmente emergiu? [...] A resposta é que não há nenhuma concepção clara e definitiva do corpo. [...] Em vez disso, o mundo material é tudo o que nós descobrimos que ele seja, com quaisquer propriedades deve ser assumida a ter para os fins da teoria explicativa. Qualquer teoria inteligível que oferece explicações genuínas e que pode ser assimilada às noções fundamentais da física se torna parte da teoria do mundo material, parte de nossa conta do corpo. Se temos uma tal teoria em algum domínio, procuramos assimilar as noções fundamentais da física, talvez modificar essas noções como nós realizar este empreendimento.

-  Noam Chomsky, Linguagem e problemas do conhecimento: a Manágua palestras , p. 144

Assim, qualquer que seja a matéria é estudos e o objecto de estudo da física física é a matéria: não há nenhuma definição geral independente da matéria, para além da sua montagem dentro da metodologia de medição e experimentação controlada. Em suma, os limites entre o que constitui a matéria e tudo o resto permanece tão vago quanto o problema da demarcação de delimitar a ciência de tudo o resto.

No século 19, seguindo o desenvolvimento da tabela periódica , e da teoria atômica , átomos eram vistos como sendo os constituintes fundamentais da matéria; átomos formado moléculas e compostos .

A definição comum, em termos de ocupação de espaço e tendo massa está em contraste com a maioria das definições físicas e químicas da matéria, que se baseiam em vez disso sobre a sua estrutura e os atributos não necessariamente relacionados com o volume e a massa. Na virada do século XIX, o conhecimento da matéria começou uma rápida evolução.

Aspectos da visão newtoniana ainda dominou. James Clerk Maxwell discutido assunto em seu trabalho Matéria e Movimento . Ele cuidadosamente separa "matéria" de espaço e tempo, e define-lo em termos do objeto que se refere o primeiro lei do movimento de Newton .

No entanto, a imagem newtoniana não era toda a história. No século 19, o termo "matéria" foi ativamente discutido por uma série de cientistas e filósofos, e um breve resumo pode ser encontrado em Levere. Uma discussão livro de 1870 sugere importa é o que é feito de átomos:

Três divisões da matéria são reconhecidos na ciência: missas, moléculas e átomos.
A massa da matéria é qualquer porção de matéria apreciável pelos sentidos.
A molécula é a menor partícula da matéria em que um corpo pode ser dividido sem perder a sua identidade.
Um átomo é uma partícula ainda menor produzido pela divisão de uma molécula.

Em vez de simplesmente ter os atributos de massa e ocupando espaço, a matéria foi realizado para ter propriedades químicas e eléctricas. Em 1909 o famoso físico JJ Thomson (1856-1940) escreveu sobre a "constituição da matéria" e se preocupou com a possível conexão entre a matéria e carga elétrica.

Há toda uma literatura sobre a "estrutura da matéria", que vão desde a "estrutura elétrica" no início do século 20, para o mais recente "estrutura quark da matéria", apresentou hoje com a observação: Compreender a estrutura quark de matéria tem sido um dos mais importantes avanços na física contemporânea. Neste contexto, os físicos falam de campos de matéria , e falar de partículas como "excitações quânticas de um modo do campo de assunto". E aqui está uma citação de de Sabbata e Gasperini: "Com a palavra 'matéria' denotamos, neste contexto, as fontes das interações, que é campos spinor (como quarks e léptons ), que se acredita ser os componentes fundamentais de matéria, ou campos escalares , como as partículas de Higgs , que são utilizados para a massa introduzida em uma teoria de calibre (e que, no entanto, poderia ser composto de campos fermion mais fundamentais) ".

No final do século 19 com a descoberta do electrão , e no início do século 20, com a descoberta do núcleo atómico , e o nascimento de física de partículas , a matéria foi visto como composto de electrões, protões e neutrões interagindo para formar átomos . Hoje, sabemos que até mesmo prótons e nêutrons não são indivisíveis, eles podem ser divididos em quarks , enquanto os elétrons são parte de uma família de partículas chamado de léptons . Ambos os quarks e léptons são partículas elementares , e estão atualmente visto como sendo os constituintes fundamentais da matéria.

Esses quarks e léptons interagir através de quatro forças fundamentais : gravidade , eletromagnetismo , interações fracas e interações fortes . O Modelo Padrão da física de partículas é atualmente a melhor explicação para toda a física, mas apesar de décadas de esforços, a gravidade ainda não podem ser contabilizados no nível quântico; só é descrito por física clássica (ver gravidade quântica e gravitão ). As interacções entre quarks e leptones são o resultado de uma troca de partículas portadoras de força (tal como fotões ) entre quarks e leptones. As partículas portadoras de força não são eles próprios blocos de construção. Como uma consequência, a massa e energia (que não pode ser criada ou destruída) não pode estar sempre relacionada com a matéria (o qual pode ser criado a partir de partículas não importa como fotões, ou mesmo para fora de energia puro, tal como energia cinética). Portadores de força geralmente não são considerados importa: os portadores da força elétrica (fótons) possuir energia (ver relação de Planck ) e os portadores da força fraca ( bósons W e Z ) são enormes, mas também não são considerados importa tanto. No entanto, enquanto estas partículas não são considerados matéria, eles contribuem para a massa total de átomos, partículas subatômicas , e todos os sistemas que os contêm.

resumo

A concepção moderna da matéria foi refinado muitas vezes na história, à luz da melhoria no conhecimento de apenas o que os blocos básicos de construção são, e na forma como eles interagem. O termo "matéria" é usado ao longo física em uma espantosa variedade de contextos: por exemplo, refere-se a um " condensado física da matéria ", "matéria primária", " partonic " matéria " escuro " matéria, " anti '-matter,' estranha "a matéria, e" nuclear matéria ". Nas discussões sobre a matéria e antimatéria , matéria normal tem sido referido por Alfvén como koinomatter (gr. Assunto comum ). É justo dizer que na física , não existe um amplo consenso quanto a uma definição geral da matéria, e o termo "matéria" geralmente é usado em conjunto com um modificador de especificação.

A história do conceito de matéria é uma história dos fundamentais escalas de comprimento utilizados para definir a matéria. Blocos de construção se aplicam diferentes dependendo se alguém define a matéria em um nível partícula atômica ou elementar. Pode-se utilizar uma definição que importa é átomos, ou que a matéria é hadríons , ou que a matéria é leptones e quark, dependendo da escala em que se deseje definir matéria.

Esses quarks e léptons interagir através de quatro forças fundamentais : gravidade , eletromagnetismo , interações fracas e interações fortes . O Modelo Padrão da física de partículas é atualmente a melhor explicação para toda a física, mas apesar de décadas de esforços, a gravidade ainda não podem ser contabilizados no nível quântico; só é descrito por física clássica (ver gravidade quântica e gravitão ).

Veja também

Referências

Outras leituras

Meus amigos estão aqui! Ciência P3 e 4 Cycless-Capítulo 3 (Matéria)

links externos