Materie und Energie: Falsche Dichotomie

Wenn Sie Artikel über das Universum oder die Teilchenphysik lesen, können Sie häufig auf einen Satz stoßen, der „Materie und Energie“ erwähnt, als wären sie zwei Gegensätze oder zwei Partner oder zwei Seiten derselben Medaille oder zwei Klassen, aus denen der Rest besteht. Dies tritt in vielen Zusammenhängen auf. Manchmal kann man sehen, wie der Urknall poetisch als der Moment der Entstehung aller „Materie und Energie“ des Universums beschrieben wird. Man kann lesen, dass "Materie und Antimaterie in reine Energie vernichten". Und natürlich erinnern wir uns an die beiden größten Geheimnisse der Astronomie - „Dunkle Materie“ und „Dunkle Energie“.

Als Wissenschaftler und Spezialist, der über wissenschaftliche Themen schreibt, ärgere ich mich über eine solche Terminologie, nicht weil sie völlig falsch ist, sondern weil solche Gespräche Menschen irreführen, die nicht an der Wissenschaft beteiligt sind. Für Physiker bedeutet das wenig. Diese poetischen Epitheta beziehen sich auf das, was in Mathematik und Experimenten klar definiert ist, und mehrdeutige Definitionen drücken einfach kurz lange exakte Phrasen aus. Für diejenigen, die keine Experten sind, ist dies jedoch sehr verwirrend, da jeder Kontext seine eigene Definition von Materie verwendet und die Bedeutung des Wortes „Energie“ manchmal sogar archaisch oder einfach falsch ist. Und jede der Methoden impliziert, dass alles, was existiert, entweder Materie oder Energie sein kann - und das ist nicht so. Tatsächlich fallen Materie und Energie im Allgemeinen in verschiedene Kategorien - es ist, als würde man in einem Satz über Äpfel und Orang-Utans oder über Himmel und Würmer oder über Vögel und Strandbälle sprechen.

Auf dieser Seite werde ich versuchen, genauer zu sein, um dem Leser zu helfen, die Verwirrung zu vermeiden, die sich aus dieser Ausdrucksweise ergibt.

Kurz

Da der Artikel lang ist, hoffe ich, dass er informativ ist und alle aufklärt, die sich gerne mit Details befassen. Und hier werde ich alles zusammenfassen, was darin steht:

• Materie und Energie gehören nicht zur selben Klasse von Konzepten und sollten im Kopf einer Person kein Paar bilden.
• Materie ist ein mehrdeutiger Begriff. Für sie gibt es verschiedene Definitionen, die sowohl in der wissenschaftlichen Literatur als auch in der Sachliteratur verwendet werden. Jede Definition deckt eine bestimmte Teilmenge von Partikeln ab. Das heißt, Materie ist immer eine Art Substanz, aber welche genau vom Kontext abhängt.
• Energie ist ein eindeutiger Begriff (zumindest in der Physik). Aber Energie ist keine Substanz. Das hat die Substanz.
• Der Begriff „dunkle Energie“ ist verwirrend, weil es sich nicht nur um Energie handelt. Es ist keine Substanz. Einige Substanzen können teilweise für ihre Anwesenheit verantwortlich sein, aber die Details sind uns unbekannt.
• Photonen müssen nicht als „Energie“ oder „reine Energie“ bezeichnet werden. Alle Teilchen sind eine Störung der Felder und sie haben Energie. Photonen fallen nicht besonders auf. Photonen sind Materie, Energie jedoch nicht.
• Die gesamte Substanz des Universums besteht aus Feldern (den einfachsten Komponenten des Universums) und ihren Teilchen. Dieser Standpunkt stammt aus dem Jahr 1973.

Was ist Materie (und Energie)?

Definieren wir zunächst die Begriffe.

"Materie" ist ein schrecklich mehrdeutiger Begriff. Für ihn gibt es keine universelle Definition, die nicht vom Kontext abhängt. An verschiedenen Stellen werden mindestens drei Definitionen verwendet. Materie kann genannt werden:

1. Atome, die Grundbausteine ​​dessen, was wir als „Material“ wahrnehmen - ein Tisch, Luft, Stein, Haut, Orangensaft - und jene Teilchen, aus denen die Atome selbst bestehen, einschließlich Elektronen, sowie Protonen und Neutronen, aus denen der Kern besteht Atom.
2. Elementare „materielle Teilchen“ der Natur: Elektronen, Myonen, Tau, drei Arten von Neutrinos, sechs Arten von Quarks - alle Arten von Teilchen, die keine Wechselwirkungen übertragen (außer Photonen, Gluonen, Gravitonen, W und Z). Interessanterweise möchte das Higgs-Teilchen nicht in diese bequeme Unterteilung in Materieteilchen und Wechselwirkungsteilchen passen, da diese Klassifizierung zunächst etwas künstlich ist.
3. Klassen von Partikeln, die im Universum zu finden sind und sich im Durchschnitt langsamer als Licht bewegen.

Nach jeder dieser Definitionen beziehen sich Elektronen auf Materie (obwohl sie gemäß der dritten Definition in den frühen Perioden der Geschichte des Universums, als es viel heißer war, keine Materie waren). Nach der zweiten Definition sind Myonen ebenso wie Neutrinos Materie, obwohl kein gewöhnliches Material aus ihnen besteht. Nach der dritten Definition können einige Neutrinos Materie sein oder auch nicht, und dunkle Materie wird definitiv Materie sein, selbst wenn sich herausstellt, dass sie aus einer neuen Art von Partikeln besteht, die Wechselwirkungen übertragen. Es tut mir sehr leid, dass diese Definitionen so verwirrend sind, aber wenn Sie wissen möchten, was „Materie“ in verschiedenen Büchern und Artikeln bedeutet, müssen Sie verschiedene Arten der Verwendung dieses Begriffs verstehen.

Glücklicherweise ist „Energie“ (in dem Sinne, in dem Physiker sie verwenden) ein sehr genau definiertes Konzept, dem alle Physiker zustimmen. Leider hat dieses Wort in der englischen [und russischen] Sprache so viele Bedeutungen, dass es sehr leicht zu Verwirrung kommt, wenn man versteht, was Physiker bedeuten. Ich habe in einem Artikel über Masse und Energie kurz verschiedene Formen physikalischer Energie beschrieben. Im Moment genügt es zu sagen, dass Energie kein Objekt ist. Atom ist ein Objekt, Energie nicht. Energie kann von Objekten und Gruppen von Objekten besessen sein - dies ist eine Eigenschaft von Objekten, die ihr Verhalten und ihre Beziehungen zueinander beschreibt. Es reicht uns zu wissen, dass Teilchen, die sich alleine durch den Raum bewegen, zwei Arten von Energien haben können: Massenenergie (E = mc ² , unabhängig von Teilchenbewegung) und Bewegungsenergie (diese Energie ist Null für ein Teilchen in Ruhe und wird größer je schneller es sich bewegt).

Die Vernichtung von Partikeln und Antiteilchen ist nicht die Umwandlung von Materie in Energie

Betrachten Sie eine solche Darstellung als „Materie und Antimaterie, die sich in reine Energie vernichten“. Einfach ausgedrückt, trifft dies aus mehreren Gründen nicht zu.

Gleich oben habe ich Ihnen drei verschiedene Definitionen von Materie gegeben. Wenn der Sprecher über die Vernichtung von Partikeln und Antiteilchen spricht, kann er an die erste oder zweite denken. Ich möchte die Vernichtung eines Elektrons und eines Anti-Elektrons (oder Positron) oder die Vernichtung eines Myons und Antimuons diskutieren. Die Details dieses Prozesses sind in einem Artikel über die Vernichtung von Partikeln und Antiteilchen beschrieben .

Was ist mit „sauberer Energie“ gemeint? Dies wird am häufigsten durch Photonen beschrieben und normalerweise im Zusammenhang mit einem Elektron und einem Positron (oder einem anderen massiven Teilchen und Antiteilchen). Aber das ist sehr schlecht. Energie ist das, was Photonen besitzen, nicht was sie sind. Ich habe Gewicht und Gewicht - aber das bedeutet nicht, dass ich Größe und Gewicht habe.

Der Begriff „saubere Energie“ ist eine Mischung aus Poesie, Kurzbeschreibung und Müll. Da Photonen keine Masse haben, haben sie keine Massenenergie, daher ist ihre Energie „reine Bewegungsenergie“. Dies ist jedoch nicht dasselbe wie zu sagen: „Photon ist 'reine Energie'“, was in der strengen Physik der Geist eines Amateurs der Fall ist. Photonen sind Teilchen, genau wie Elektronen. Beide sind Wellen der entsprechenden Felder und beide haben Energie. Das vernichtete Elektron und das Positron haben ebenfalls Energie - dieselbe Energiemenge wie die Photonen, in die sie vernichten, da die Energie gespart wird (die Gesamtenergiemenge ändert sich während der Vernichtung nicht).



Darüber hinaus erfolgt der Prozess der Umwandlung eines Myons und eines Antimuons in zwei Photonen auf genau dieselbe Weise und mit nahezu derselben Wahrscheinlichkeit wie der Prozess der Umwandlung eines Myons und eines Antimuons in ein Elektron und ein Positron, dh die Vernichtung von Materie und Antimaterie in eine andere Art von Materie und Antimaterie. Es spielt keine Rolle, mit welchen Worten ausgedrückt wird, es ist immer noch unmöglich zu sagen, dass Materie und Antimaterie immer zu etwas vernichten, das man grob als "Energie" bezeichnen könnte. Es gibt andere Möglichkeiten.

Daher verwende ich in meinen Artikeln nicht den Ausdruck „Materie und Energie“, der von Vernichtung spricht. Ich nenne den Prozess einfach seinen Namen:

Teilchen 1 + Antiteilchen 1 → Teilchen 2 + Antiteilchen 2

Mit dieser Terminologie ist klar, warum sich Myon und Antimuon auf dieselbe Weise in zwei Photonen oder in ein Elektron und ein Positron oder in Neutrinos und Antineutrinos auflösen. Dies sind alles Prozesse einer Klasse. Es ist nicht erforderlich, eine nicht vorhandene Klassifizierung zu erstellen, die die Universalität des Partikel- / Antiteilchen-Vernichtungsprozesses verwirrt.

Materie und Energie sind im Allgemeinen nicht alles.

Warum reden die Leute manchmal über „Materie und Energie“, als ob alles um sie herum entweder Materie oder Energie wäre? Ich weiß nicht, in welchem ​​Kontext dieser Ausdruck erfunden wurde. Die Sprache spiegelt eine Geschichte wider und reagiert oft langsam auf neue Informationen. Ein Teil des Problems besteht darin, dass sich von 1900 bis 1980 die physikalischen Konzepte in Bezug auf die Welt und ihre Bestandteile stark verändert haben. Jetzt hat dieser Prozess fast aufgehört. Während meiner Karriere war er überraschend stabil.

Unsere gegenwärtige Sicht auf die physikalische Welt wurde durch eine Vielzahl von Experimenten und Entdeckungen geprägt, die in den 1950er, 60er und 70er Jahren stattfanden. Aber die bisherigen Denk- und Argumentationsweisen zur Teilchenphysik starben erst in den 1980er und 90er Jahren aus, als ich studierte und ein junger Wissenschaftler war. Und es ist nicht verwunderlich - Menschen, die mit alten Ideen aufgewachsen sind, brauchen viel Zeit, um sich in neue umzuwandeln, und einige organisieren sich nicht neu. Die neue Vision braucht Zeit, um Gestalt anzunehmen und alle kleinen Mängel zu beseitigen.

Wenn man heute im Kontext der modernen Sichtweise von der Welt spricht, muss man zunächst über „Felder und ihre Teilchen“ sprechen. Felder sind nach dem modernen vorherrschenden Paradigma die Hauptkomponenten der Welt. Felder erscheinen uns grundlegender als Teilchen, da es kein Elementarteilchen ohne Feld gibt und ein Feld ohne Teilchen passiert. Es stellt sich jedoch heraus, dass jedes der uns bekannten Felder ein uns bekanntes Teilchen hat.

Was haben „Felder und Teilchen“ mit „Materie und Energie“ gemeinsam? Nicht viel. Sie könnten einige Felder und Teilchen als „Materie“ bezeichnen, aber welche davon Materie sind und welche nicht, hängt von Ihrer Definition von Materie ab. Aber alle Felder und Teilchen können Energie haben und sie sind keine Energie.

Materieteilchen und Wechselwirkungsteilchen

In meinen Artikeln teile ich bekannte Teilchen in "Teilchen der Materie" und "Teilchen der Wechselwirkungen" ein. Das gefällt mir nicht, weil eine solche Trennung künstlich ist. Soweit funktioniert es; Teilchen von Wechselwirkungen und ihre Antiteilchen sind mit vier Wechselwirkungen in der Natur verbunden, die uns heute bekannt sind, und Teilchen von Materie und ihre Antiteilchen sind der Rest. In vielen Fällen ist eine solche Trennung zweckmäßig. Aber beim Large Hadron Collider können wir Partikel entdecken, die nicht in diese Kategorien passen, und selbst beim Higgs-Partikel gibt es bestimmte Probleme.

Es gibt eine völlig andere Unterteilung, die Sinn macht: Was ich Materieteilchen nenne, sind Fermionen, und was ich Wechselwirkungsteilchen nenne, sind Bosonen. Dies kann sich jedoch nach neuen Entdeckungen ändern.

Tatsächlich kommt es darauf an, dass alle Partikel in der Natur nur Partikel sind, von denen einige als Antiteilchen zueinander dienen, und es gibt keine eindeutige Möglichkeit, sie in Klassen zu unterteilen. Ich benutze die Wörter "Materie" und "Interaktion", weil es nicht so abstrakt klingt wie "Fermionen" und "Bosonen" - aber es ist möglich, dass ich es bereuen werde, weil wir Partikel erkennen können, die diese Trennung verletzen.

Materie und Energie im Universum

Ein weiterer Ort, an dem wir diesen Worten begegnen, ist die Geschichte und die Eigenschaften des gesamten Kosmos. Wir lesen über Materie, Strahlung, dunkle Materie und dunkle Energie. Die Verwendung dieser Wörter durch Kosmologen unterscheidet sich von der erwarteten - und tatsächlich haben sie je nach Kontext zwei oder drei verschiedene Bedeutungen.

Materie und Antimaterie: Menschen, die über sie sprechen, meinen die erste Definition der drei. Sie sprechen normalerweise über die Verbreitung von Materie gegenüber Antimaterie im Universum - dass es viel mehr Teilchen gibt, aus denen gewöhnliche Materie besteht (Elektronen, Protonen und Neutronen) als ihre Antiteilchen.

Materie und Strahlung: Diese Trennung impliziert eine dritte Definition aus der Liste. Das Universum hat eine Temperatur. Zuerst war es sehr heiß, dann kühlte es allmählich ab und jetzt liegt es bei 2,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Wenn Sie ein Gas (oder Plasma) von Partikeln bei einer bestimmten Temperatur T haben und die Energien dieser Partikel messen, werden Sie feststellen, dass die durchschnittliche Partikelenergie k T ist, wobei k die berühmte Boltzmann-Konstante ist. In diesem Sinne ist Materie jedes Teilchen, dessen Massenenergie mc ² größer ist als die durchschnittliche Bewegungsenergie kT. Für solche Partikel ist die Geschwindigkeit viel niedriger als die Lichtgeschwindigkeit. Strahlung ist jedes Teilchen, dessen Massenenergie im Vergleich zu kT klein ist und sich daher mit einer Geschwindigkeit nahe dem Licht bewegt.

Es stellt sich heraus, dass in diesem Zusammenhang das, was ist und was nicht, von der Temperatur und damit von der Zeit abhängt! Im frühen Universum, in dem die Temperaturen Billionen Grad oder mehr betrugen, war das Elektron das, was Kosmologen als Strahlung betrachten würden. In einem kalten Universum fällt heute ein Elektron in die Kategorie der Materie. Im modernen Universum sind nach dieser Definition mindestens zwei der drei Arten von Neutrinos Materie oder vielleicht alle drei. Aber im frühen Universum waren alle drei Neutrinos Strahlung. Photonen waren und sind Strahlung, da sie masselos sind.

Was ist dunkle Materie? Basierend auf der Untersuchung der Bewegungen von Sternen und anderer Techniken können wir sagen, dass der größte Teil der Masse von Galaxien nicht leuchtet, und es wurde viel dafür ausgegeben, dass die uns bekannten Partikel, die sich auf die übliche Weise verhalten, nicht verantwortlich sind Kräfte. Viele Theorien wurden vorgeschlagen, um diesen Effekt zu erklären, und viele wurden widerlegt (normalerweise durch Beobachtung des Aussehens und Verhaltens von Galaxien). Von den verbleibenden Theorien sagt eine der führenden, dass dunkle Materie aus schweren Teilchen eines unbekannten Typs besteht. Aber wir wissen nichts mehr über sie. Experimente können uns neue Informationen geben, obwohl dies nicht garantiert ist. Ich stelle fest: Es kann sich herausstellen, dass es keinen Sinn macht, über dunkle Antiteilchen zu sprechen, da sich dunkle Materieteilchen wie Photonen oder Z-Teilchen als ihre eigenen Antiteilchen herausstellen können.

Was ist mit dunkler Energie? Kürzlich wurde entdeckt, dass sich das Universum mit Beschleunigung und nicht mit Verzögerung ausdehnt, wie es in den frühen Jahren war. Vermutlich ist die sogenannte „dunkle Energie“ dafür verantwortlich, aber in Wirklichkeit ist es keine Energie. Wie mein Kollege Sean Carroll gerne sagt, ist dies Spannung, nicht Energie - eine Kombination aus Druck und Energiedichte. Warum heißt es Energie? Teilweise aufgrund der Öffentlichkeitsarbeit. Dunkle Energie klingt cool. Dunkle Spannung klingt seltsam, wie jedes andere mehr oder weniger geeignete Wort. In gewisser Weise ist dies eine harmlose Sache. Wissenschaftler wissen, worum es geht, und die Terminologie verursacht auf technischer Seite keine Probleme. Die meisten Bürger kümmern sich nicht darum, wovon sie sprechen, daher können wir sagen, dass es auch auf nichttechnischer Seite kein Problem gibt. Aber wenn Sie es wirklich herausfinden wollen, ist es wichtig zu verstehen, dass dunkle Energie keine dunkle Energieform ist, sondern etwas subtileres. Darüber hinaus ist dunkle Energie wie Energie kein Objekt und keine Menge von Objekten, sondern eine Eigenschaft, die Felder oder Kombinationen von Feldern der Raumzeit besitzen können. Wir wissen noch nicht, was für die dunkle Energie verantwortlich ist, deren Existenz wir nach dem sich beschleunigenden Universum beurteilen. Und bevor wir das wissen, kann viel Zeit vergehen.

Wussten Sie übrigens, was Astronomen unter „Metallen“ verstehen? Nicht was du denkst ...

Nach dem Lesen des Artikels haben Sie möglicherweise den Eindruck, dass moderne Physiker nicht besonders erfinderisch, kreativ oder sprachlich klar sind. Offensichtlich ist dies nicht unsere Stärke. Urknall? Schwarzes Loch? Dichter auf der ganzen Welt werden uns niemals verzeihen, dass wir so dumme Namen für solch fantastische Phänomene gewählt haben ...