في كثير من الأحيان ، عند قراءة مقالات حول الكون أو فيزياء الجسيمات ، يمكنك العثور على عبارة تشير إلى "المادة والطاقة" كما لو كانا متناقضين ، أو شريكين ، أو وجهين لعملة واحدة ، أو فئتين تشكل الباقي. هذا ينبثق في سياقات عديدة. في بعض الأحيان يمكنك أن ترى كيف يوصف الانفجار العظيم بطريقة شعرية على أنه لحظة ظهور كل "مادة وطاقة" الكون. يمكن للمرء أن يقرأ أن "المادة والمادة المضادة تبيدان طاقة نقية". وبالطبع ، دعونا نتذكر أعظم أسرار الفلك - "المادة المظلمة" و "الطاقة المظلمة".
بصفتي عالِمًا ومتخصصًا في الكتابة حول الموضوعات العلمية ، أشعر بالضيق من هذه المصطلحات ، ليس لأنها غير صحيحة تمامًا ، ولكن لأن مثل هذه المحادثات تضلل الناس الذين لا يشاركون في العلوم. بالنسبة للفيزيائيين ، هذا يعني القليل. تتعلق هذه الألقاب الشعرية بما تم تعريفه بوضوح في الرياضيات والتجارب ، والتعريفات الغامضة تعبر ببساطة باختصار عن عبارات طويلة دقيقة. ولكن بالنسبة إلى أولئك الذين ليسوا خبراء ، فإن هذا أمر مربك للغاية ، حيث يستخدم كل سياق تعريفه الخاص للمادة ، ومعناه في بعض الأحيان كلمة "طاقة" قد تكون قديمة أو ببساطة غير صحيحة. وأي من الأساليب تعني ضمناً أن كل ما هو موجود يمكن أن يكون مادة أو طاقة - وهذا ليس كذلك. في الواقع ، تندرج المادة والطاقة بشكل عام في فئات مختلفة - الأمر أشبه بالتحدث في جملة واحدة عن التفاح و orangutans ، أو عن الجنة والديدان ، أو عن الطيور وكرات الشاطئ.
سأحاول في هذا الموقع أن أكون أكثر دقة من أجل مساعدة القارئ على تجنب الالتباس الناتج عن طريقة التعبير هذه.
باختصار
بما أن المقالة طويلة ، آمل أن تكون غنية بالمعلومات وتنوير كل من يحب الخوض في التفاصيل. وهنا سألخص كل ما تقول:
• المادة والطاقة لا تنتمي إلى نفس فئة المفاهيم ولا يجب أن تشكل زوجًا في ذهن الشخص.
• المادة مصطلح غامض. بالنسبة لها ، هناك العديد من التعريفات المختلفة المستخدمة في كل من الأدب العلمي وغير الخيالي. يغطي كل تعريف مجموعة فرعية محددة من الجسيمات. أي أن المادة دائمًا ما تكون نوعًا من الجوهر ، ولكن أيها يعتمد بالضبط على السياق.
• الطاقة مصطلح لا لبس فيه (على الأقل في الفيزياء). لكن الطاقة ليست مادة. هذا ما تحتويه المادة.
• مصطلح "الطاقة المظلمة" مربك لأنه ليس مجرد طاقة. إنها ليست مادة. قد تكون بعض المواد مسؤولة جزئيًا عن وجودها ، لكن التفاصيل غير معروفة لنا.
• لا تحتاج الفوتونات أن تسمى "طاقة" أو "طاقة نقية". جميع الجسيمات هي اضطراب في الحقول ، ولديها طاقة. الفوتونات لا تبرز أي شيء خاص. الفوتونات مهمة ، لكن الطاقة ليست كذلك.
• تتكون كل مادة من الكون من حقول (أبسط مكونات الكون) وجزيئاتها. تعود وجهة النظر هذه إلى عام 1973.
ما هي المادة (والطاقة)؟
أولاً ، دعنا نحدد المصطلحات.
"المسألة" مصطلح غامض للغاية. بالنسبة له لا يوجد تعريف عالمي لا يعتمد على السياق. في أماكن مختلفة ، يتم استخدام ثلاثة تعريفات على الأقل. يمكن استدعاء الأمر:
1. الذرات ، اللبنات الأساسية لما نعتبره "مادة" - طاولة ، هواء ، حجر ، جلد ، عصير برتقال - وتلك الجزيئات التي تشكل الذرات نفسها ، بما في ذلك الإلكترونات ، وكذلك البروتونات والنيوترونات التي تشكل النواة ذرة.
2. "جزيئات المواد" الأولية للطبيعة: الإلكترونات ، الميونات ، تاو ، ثلاثة أنواع من النيوترينوات ، ستة أنواع من الكواركات - جميع أنواع الجسيمات التي لا تنقل التفاعلات (أي باستثناء الفوتونات ، الغلوونات ، الجرافيتون ، W و Z). ومن المثير للاهتمام أن جسيم هيجز لا يريد أن يتناسب مع هذا التقسيم المريح إلى جزيئات المادة وجزيئات التفاعلات ، لأن هذا التصنيف اصطناعيًا في البداية.
3. فئات الجسيمات التي يمكن العثور عليها في الكون ، والتي تتحرك في المتوسط أبطأ من الضوء.
بواسطة أي من هذه التعريفات ، ستشير الإلكترونات إلى المادة (على الرغم من أنه وفقًا للتعريف الثالث ، لم تكن المادة مهمة في الفترات المبكرة من تاريخ الكون ، عندما كان أكثر سخونة). حسب التعريف الثاني ، الميونات هي أيضًا مادة ، مثل النيوترينو ، على الرغم من عدم وجود مواد عادية منها. وفقًا للتعريف الثالث ، قد تكون أو لا تكون بعض النيوترينوات مادة ، وستكون المادة المظلمة بالتأكيد مادة ، حتى لو اتضح أنها تتكون من نوع جديد من الجسيمات التي تنقل التفاعلات. أنا آسف للغاية لأن هذه التعريفات مربكة للغاية ، ولكن إذا كنت تريد معرفة معنى "المادة" في الكتب والمقالات المختلفة ، فأنت بحاجة إلى فهم طرق مختلفة لاستخدام هذا المصطلح.
لحسن الحظ ، فإن "الطاقة" (بالمعنى الذي يستخدمه الفيزيائيون) ، هو مفهوم محدد جيدًا يتفق عليه جميع الفيزيائيين. لسوء الحظ ، هذه الكلمة لها معاني كثيرة في اللغة الإنجليزية [والروسية] لدرجة أنه من السهل جدًا الخلط بينها ، وفهم ما يعنيه الفيزيائيون. وصفت بإيجاز مختلف أشكال الطاقة الفيزيائية في
مقال عن الكتلة والطاقة . في الوقت الحالي ، يكفي أن نقول أن الطاقة ليست شيئًا. الذرة كائن ، الطاقة ليست كذلك. يمكن امتلاك الطاقة بواسطة كائنات ومجموعات من الكائنات - هذه خاصية كائنات تصف سلوكها وعلاقاتها مع بعضها البعض. يكفي أن نعلم أن الجسيمات التي تتحرك بمفردها عبر الفضاء يمكن أن يكون لها نوعان من الطاقات: طاقة الكتلة (E = mc
2 ، مستقلة عن حركة الجسيمات) وطاقة الحركة (هذه الطاقة صفر للجسيم في حالة الراحة وتصبح أكبر أسرع يتحرك).
إن إبادة الجسيمات والجسيمات المضادة ليس تحويل المادة إلى طاقة
فكر في مثل هذا التمثيل على أنه "مادة ومبيد مضاد يدمران في طاقة نقية". ببساطة ، هذا ليس صحيحا لعدة أسباب.
وفوق ذلك أعطيتك ثلاثة تعريفات مختلفة للمادة. بالحديث عن إبادة الجسيمات والجسيمات المضادة ، قد يكون المتحدث في ذهنه الأول أو الثاني منها. أريد أن أناقش إبادة الإلكترون ومضاد الإلكترون (أو البوزيترون) ، أو إبادة الميون والأنتيمون. يتم وصف تفاصيل هذه العملية
في مقال حول إبادة الجسيمات والجسيمات المضادة .
ما المقصود بـ "الطاقة النظيفة"؟ غالبًا ما يتم وصف ذلك بواسطة الفوتونات ، وعادة في سياق الإلكترون والبوزيترون (أو الجسيمات الضخمة الأخرى والجسيمات المضادة). لكن القيام بذلك أمر سيء للغاية. الطاقة هي ما تمتلكه الفوتونات ، وليس ما هي عليه. لدي وزن ووزن - لكن هذا لا يعني أنني طول ووزن.
مصطلح "الطاقة النظيفة" هو مزيج من الشعر والوصف المختصر والقمامة. بما أن الفوتونات ليس لها كتلة ، فإنها لا تملك طاقة الكتلة ، وبالتالي فإن طاقتها هي "طاقة الحركة البحتة". ولكن هذا ليس مثل القول: "الفوتون هو" طاقة نقية "" ، وهي في الفيزياء الصارمة ، التي هي في ذهن أحد الهواة. الفوتونات هي جسيمات ، مثل الإلكترونات. كلاهما تموجات من الحقول المقابلة ، وكلاهما لديه طاقة. الإلكترون والبوسترون المبيدان لهما أيضًا طاقة - نفس كمية الطاقة التي تمتلكها الفوتونات التي ستبقى فيها ، حيث يتم توفير الطاقة (لا يتغير إجمالي كمية الطاقة أثناء الإبادة).
علاوة على ذلك ، تحدث عملية تحويل الميون والأنتيمون إلى فوتونين بنفس الطريقة تمامًا وتحدث بنفس الاحتمال تقريبًا مثل عملية تحويل الميون والأنتيمون إلى إلكترون وبوزيترون ، أي إبادة المادة والمادة المضادة إلى نوع آخر من المادة والمادة المضادة. لا يهم ما هي الكلمات المستخدمة للتعبير عنها ، لا يزال من المستحيل أن نقول أن المادة والمادة المضادة تدومان دائمًا إلى شيء يمكن أن يطلق عليه تقريبًا "الطاقة" ؛ هناك احتمالات أخرى.
لذلك ، لا أستخدم عبارة "المادة والطاقة" في مقالاتي ، وأتحدث عن الإبادة. أنا فقط أسمي العملية باسمه:
الجسيمات 1 + الجسيمات 1 → الجسيمات 2 + الجسيمات 2
مع هذا المصطلح ، من الواضح لماذا يبيد الميون والأنتيمون في فوتونين ، أو في إلكترون وبوزيترون ، أو في النيوترينوات ومضادات النيوترينوات بنفس الطريقة. هذه كلها عمليات لفئة واحدة. ليست هناك حاجة لإنشاء تصنيف غير موجود يخلط بين عالمية عملية إبادة الجسيمات / الجسيمات.
بشكل عام ، المادة والطاقة ليست كل شيء.
لماذا يتحدث الناس أحيانًا عن "المادة والطاقة" كما لو أن كل شيء حولها إما مادة أو طاقة؟ لا أعرف في أي سياق اخترع هذا التعبير. تعكس اللغة قصة ، وغالباً ما تستجيب ببطء للمعلومات الجديدة. جزء من المشكلة هو أنه من عام 1900 إلى عام 1980 كانت هناك تغييرات كبيرة في المفاهيم الفيزيائية المتعلقة بالعالم وما تتكون منه. الآن توقفت هذه العملية تقريبا. طوال مسيرتي ، كان مستقرًا بشكل مدهش.
تم تشكيل رؤيتنا الحالية للعالم المادي من خلال مجموعة واسعة من التجارب والاكتشافات التي حدثت في الخمسينات والستينات والسبعينات. لكن الطرق السابقة للتفكير والمنطق حول فيزياء الجسيمات لم تموت حتى الثمانينيات والتسعينيات ، عندما درست وكنت عالمة شابة. وليس من المستغرب أن الأشخاص الذين نشأوا بأفكار قديمة يستغرقون الكثير من الوقت لإعادة التنظيم إلى أفكار جديدة ، والبعض الآخر لا يعيد تنظيمه. تستغرق الرؤية الجديدة وقتًا لتتشكل وتتعامل مع جميع العيوب الطفيفة.
اليوم ، بالحديث عن العالم في سياق وجهة النظر الحديثة ، من الضروري أولاً الحديث عن "الحقول وجسيماتها". الحقول هي المكونات الرئيسية في العالم ، وفقًا للنموذج السائد الحديث. تبدو لنا الحقول أكثر أساسية من الجسيمات ، حيث لا يوجد جسيم أولي بدون مجال ، ويحدث حقل بدون جسيم. ولكن اتضح أن كل مجال معروف لنا لديه جسيم معروف لنا.
ما الذي تشترك فيه "الحقول والجسيمات" مع "المادة والطاقة"؟ ليس كثيرًا. يمكنك تسمية بعض الحقول والجسيمات بـ "المادة" ، ولكن أيًا منها هو المادة وغير الجوهرية ، يعتمد على تعريفك للمادة. لكن كل الحقول والجسيمات يمكن أن يكون لها طاقة ، وهي ليست طاقة.
جزيئات المادة وجزيئات التفاعلات
في مقالاتي ، أقسم الجسيمات المعروفة إلى "جسيمات المادة" و "جزيئات التفاعلات". لا أحب هذا لأن هذا الفصل مصطنع. تعمل حتى الآن. ترتبط جزيئات التفاعلات والجسيمات المضادة لها بأربع تفاعلات في الطبيعة معروفة لنا اليوم ، وجزيئات المادة والجسيمات المضادة لها كلها الباقية. في كثير من الحالات ، يكون هذا الفصل مناسبًا. ولكن في مصادم الهادرون الكبير ، يمكننا اكتشاف الجسيمات التي لا تتناسب مع هذه الفئات ، وحتى مع جسيم هيجز هناك مشاكل معينة.
هناك تقسيم مختلف تمامًا منطقيًا: ما أسميه جزيئات المادة هي الفرميونات ، وما أسميه جزيئات التفاعلات هي بوزونات. لكن هذا قد يتغير بعد الاكتشافات الجديدة.
في الواقع ، كل هذا يرجع إلى حقيقة أن جميع الجسيمات في الطبيعة هي مجرد جسيمات ، يعمل بعضها كجسيمات مضادة لبعضها البعض ، ولا توجد طريقة فريدة لتقسيمها إلى فئات. أستخدم كلمتي "المادة" و "التفاعل" لأنها لا تبدو مجردة مثل "الفرميونات" و "البوزونات" - ولكن من الممكن أن أندم عليها ، لأننا نستطيع اكتشاف الجسيمات التي تنتهك هذا الفصل.
المادة والطاقة في الكون
مكان آخر نلتقي فيه بهذه الكلمات هو تاريخ وخصائص الكون ككل. نقرأ عن المادة والإشعاع والمادة المظلمة والطاقة المظلمة. يختلف استخدام هذه الكلمات من قبل علماء الكونيات عن الكلمة المتوقعة - وفي الواقع لديهم معنيين أو ثلاثة معاني مختلفة ، اعتمادًا على السياق.
المادة والمادة المضادة: الأشخاص الذين يتحدثون عنها يعني التعريف الأول للثلاثة. عادة ما يتحدثون عن انتشار المادة على المادة المضادة في الكون - أن هناك جسيمات أكثر بكثير تشكل المادة العادية (الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات) من الجسيمات المضادة لها.
المادة والإشعاع: ينطوي هذا الفصل على تعريف ثالث من القائمة. الكون لديه درجة حرارة. في البداية كان الجو حارًا جدًا ، ثم برد تدريجيًا ، وهو الآن عند 2.7 درجة فوق الصفر المطلق. إذا كان لديك غاز (أو بلازما) من الجسيمات عند درجة حرارة معينة T ، وقمت بقياس طاقات هذه الجسيمات ، فستجد أن متوسط طاقة الجسيمات هو K T ، حيث k هو ثابت Boltzmann الشهير. وبهذا المعنى ، فإن المادة هي أي جسيم تزيد طاقته الكلية mc
2 عن متوسط طاقة الحركة kT. لهذه الجسيمات ستكون السرعة أقل بكثير من سرعة الضوء. الإشعاع هو أي جسيم تكون طاقته صغيرة مقارنة بـ kT ، وبالتالي يتحرك بسرعة قريبة من الضوء.
اتضح أنه في هذا السياق ، ما هو وما لا يهم يعتمد على درجة الحرارة ، وبالتالي على الوقت! في أوائل الكون ، حيث كانت درجات الحرارة تريليونات من الدرجات أو أكثر ، كان الإلكترون هو ما يعتبره علماء الكونيات الإشعاع. اليوم ، في الكون البارد ، يقع الإلكترون في فئة المادة. في هذا الكون الحديث ، وفقًا لهذا التعريف ، هناك نوعان على الأقل من أنواع النيوترينوات الثلاثة ، أو ربما الثلاثة. ولكن في أوائل الكون ، كانت النيوترينوات الثلاثة إشعاعًا. كانت الفوتونات إشعاعًا وستظل دائمًا ، لأنها بلا كتلة.
ما هي المادة المظلمة؟ استنادًا إلى دراسة حركات النجوم والتقنيات الأخرى ، يمكننا القول أن معظم كتلة المجرات هي شيء لا يتوهج ، وقد تم إنفاق الكثير على أدلة على أن الجسيمات التي نعرفها تتصرف بالطريقة المعتادة ليست مسؤولة القوات. تم اقتراح العديد من النظريات لتفسير هذا التأثير ، وتم دحض العديد منها (عادة من خلال ملاحظة مظهر وسلوك المجرات). من النظريات المتبقية ، تقول إحدى النظريات الرائدة أن المادة المظلمة تتكون من جزيئات ثقيلة من نوع غير معروف. لكننا لا نعرف المزيد عنهم. يمكن أن تعطينا التجارب معلومات جديدة ، على الرغم من أن هذا غير مضمون. ألاحظ: قد يتبين أنه لا فائدة من الحديث عن الجسيمات المضادة الداكنة ، لأن جزيئات المادة المظلمة ، مثل الفوتونات أو الجسيمات Z ، يمكن أن تتحول إلى جسيماتها المضادة.
ماذا عن الطاقة المظلمة؟ اكتشفنا مؤخرًا أن الكون يتوسع بسرعة ، وليس بالتباطؤ ، كما كان في السنوات الأولى. من المفترض أن ما يسمى "الطاقة المظلمة" هو المسؤول عن ذلك ، ولكنه في الواقع ليس طاقة. كما يحب زميلي شون كارول أن يقول ، هذا هو التوتر ، وليس الطاقة - مزيج من الضغط وكثافة الطاقة. لماذا تسمى الطاقة؟ جزئيا بسبب العلاقات العامة. تبدو الطاقة المظلمة باردة. يبدو التوتر الداكن غريبًا ، مثل أي كلمة أخرى أكثر أو أقل مناسبة. بطريقة ما ، هذا شيء غير ضار. يعرف العلماء ما هو على المحك ، والمصطلحات لا تسبب مشاكل من الناحية التقنية. لا يهتم معظم الجمهور بما يتحدثون عنه ، لذا يمكننا القول أنه لا توجد مشكلة في الجانب غير الفني أيضًا. ولكن إذا كنت تريد حقًا معرفة ذلك ، فمن المهم أن نفهم أن الطاقة المظلمة ليست شكلاً مظلمًا من الطاقة ، ولكنها شيء أكثر دقة. علاوة على ذلك ، مثل الطاقة ، الطاقة المظلمة ليست شيئًا وليست مجموعة من الأشياء ، ولكنها خاصية يمكن أن تمتلكها حقول أو مجموعات من حقول الزمكان. لا نعرف حتى الآن ما هو المسؤول عن الطاقة المظلمة التي نحكم على وجودها من خلال الكون المتسارع. وقبل أن نعرف ذلك ، قد يمر الكثير من الوقت.
بالمناسبة ، هل تعلم ماذا يقصد الفلكيون بالمعادن؟
ليس ما تعتقده ...بعد قراءة المقال ، قد يكون لديك انطباع بأن الفيزيائيين المعاصرين ليسوا مبدعين أو مبدعين أو واضحين بشكل خاص في اللغة. من الواضح أن هذا ليس موطن قوتنا. الانفجار الكبير؟ الثقب الأسود؟ لن يغفر لنا الشعراء في جميع أنحاء العالم أبدًا اختيار هذه الأسماء الغبية لمثل هذه الظواهر الرائعة ...