A menudo, al leer artículos sobre el Universo o la física de partículas, puede encontrar una frase que menciona "materia y energía" como si fueran dos opuestos, o dos socios, o dos caras de la misma moneda, o dos clases que componen el resto. Esto aparece en muchos contextos. A veces puedes ver cómo el Big Bang se describe poéticamente como el momento de surgimiento de toda la "materia y energía" del Universo. Uno puede leer que "la materia y la antimateria se aniquilan en energía pura". Y, por supuesto, recordemos los dos mayores misterios de la astronomía: "materia oscura" y "energía oscura".
Como científico y especialista que escribe sobre temas científicos, me molesta esa terminología, no porque sea completamente incorrecta, sino porque tales conversaciones engañan a las personas que no están involucradas en la ciencia. Para los físicos, significa poco. Estos epítetos poéticos se relacionan con lo que está claramente definido en matemáticas y experimentos, y las definiciones ambiguas simplemente expresan brevemente frases largas y exactas. Pero para aquellos que no son expertos, esto es muy confuso, ya que cada contexto utiliza su propia definición de materia, y su significado de la palabra "energía" a veces es incluso arcaico o simplemente incorrecto. Y cualquiera de los métodos implica que todo lo que existe puede ser materia o energía, y esto no es así. De hecho, la materia y la energía generalmente se dividen en diferentes categorías: es como hablar en una oración sobre manzanas y orangutanes, o sobre el cielo y los gusanos, o sobre pájaros y pelotas de playa.
En este sitio intentaré ser más preciso para ayudar al lector a evitar la confusión que surge de esta forma de expresión.
Brevemente
Dado que el artículo es largo, espero que sea informativo e ilumine a todos los que les gusta profundizar en los detalles. Y aquí resumiré todo lo que dice:
• La materia y la energía no pertenecen a la misma clase de conceptos y no deberían formar un par en la mente de una persona.
• La materia es un término ambiguo. Para ella, hay varias definiciones diferentes utilizadas tanto en la literatura científica como en la no ficción. Cada definición cubre un subconjunto específico de partículas. Es decir, la materia siempre es algún tipo de sustancia, pero cuál depende exactamente del contexto.
• Energía es un término inequívoco (al menos en física). Pero la energía no es una sustancia. Esto es lo que tiene la sustancia.
• El término "energía oscura" es confuso porque no es solo energía. No es una sustancia Algunas sustancias pueden ser parcialmente responsables de su presencia, pero los detalles son desconocidos para nosotros.
• Los fotones no necesitan ser llamados "energía" o "energía pura". Todas las partículas son una perturbación de los campos y tienen energía. Los fotones no destacan nada especial. Los fotones son materia, pero la energía no lo es.
• Toda la sustancia del Universo consiste en campos (los componentes más simples del Universo) y sus partículas. Este punto de vista se remonta a 1973.
¿Qué es la materia (y la energía)?
Primero, definamos los términos.
"Materia" es un término terriblemente ambiguo. Para él no existe una definición universal que no dependa del contexto. En varios lugares, se utilizan al menos tres definiciones. La materia se puede llamar:
1. Los átomos, los componentes básicos de lo que percibimos como "material" - una mesa, aire, piedra, piel, jugo de naranja - y esas partículas que forman los átomos, incluidos los electrones, así como los protones y neutrones que forman el núcleo átomo
2. “Partículas materiales” elementales de la naturaleza: electrones, muones, tau, tres tipos de neutrinos, seis tipos de quarks: todos los tipos de partículas que no transfieren interacciones (es decir, excepto fotones, gluones, gravitones, W y Z). Curiosamente, la partícula de Higgs no quiere encajar en esta división conveniente en partículas de materia y partículas de interacciones, porque esta clasificación es inicialmente un poco artificial.
3. Clases de partículas que se pueden encontrar en el Universo, y que en promedio se mueven más lentamente que la luz.
Según cualquiera de estas definiciones, los electrones se referirán a la materia (aunque según la tercera definición, no eran materia en los primeros períodos de la historia del Universo, cuando hacía mucho más calor). Según la segunda definición, los muones también son materia, como los neutrinos, aunque ningún material ordinario consiste en ellos. Según la tercera definición, algunos neutrinos pueden o no ser materia, y la materia oscura definitivamente será materia, incluso si resulta que consiste en un nuevo tipo de partículas que transfieren interacciones. Lamento mucho que estas definiciones sean tan confusas, pero si desea saber qué significa "materia" en varios libros y artículos, debe comprender las diferentes formas de utilizar este término.
La "energía", afortunadamente (en el sentido en que la usan los físicos), es un concepto muy bien definido con el que todos los físicos están de acuerdo. Desafortunadamente, esta palabra tiene tantos significados en el idioma inglés [y ruso] que es muy fácil confundirse, entendiendo lo que significan los físicos. Describí brevemente varias formas de energía física en un
artículo sobre masa y energía . Por ahora, basta con decir que la energía no es un objeto. El átomo es un objeto, la energía no lo es. La energía puede ser poseída por objetos y grupos de objetos; esta es una propiedad de los objetos que describe su comportamiento y sus relaciones entre sí. Es suficiente para nosotros saber que las partículas que se mueven solas a través del espacio pueden tener dos tipos de energías: energía de masa (E = mc
2 , independiente del movimiento de partículas) y energía de movimiento (esta energía es cero para una partícula en reposo y se hace más grande cuanto más rápido se mueve).
La aniquilación de partículas y antipartículas no es la conversión de la materia en energía.
Considere una representación como "materia y antimateria aniquilando en energía pura". En pocas palabras, esto no es cierto por varias razones.
Justo arriba te di tres definiciones diferentes de la materia. Hablando sobre la aniquilación de partículas y antipartículas, el hablante puede tener en cuenta el primero o el segundo de ellos. Quiero hablar sobre la aniquilación de un electrón y anti-electrón (o positrón), o la aniquilación de un muón y antimuon. Los detalles de este proceso se describen
en un artículo sobre la aniquilación de partículas y antipartículas .
¿Qué se entiende por "energía limpia"? Esto se describe con mayor frecuencia por los fotones, y generalmente en el contexto de un electrón y un positrón (u otra partícula masiva y antipartícula). Pero hacerlo es muy malo. La energía es lo que poseen los fotones, no lo que son. Tengo peso y peso, pero eso no significa que tenga estatura y peso.
El término "energía limpia" es una mezcla de poesía, breve descripción y basura. Como los fotones no tienen masa, no tienen energía de masa, por lo tanto, su energía es "puramente energía de movimiento". Pero esto no es lo mismo que decir: "El fotón es 'energía pura'", que es en física estricta, que está en la mente de un aficionado. Los fotones son partículas, lo mismo que los electrones. Ambos son ondas de los campos correspondientes, y ambos tienen energía. El electrón aniquilado y el positrón también tienen energía: la misma cantidad de energía que los fotones en los que se aniquilarán, ya que la energía se guarda (la cantidad total de energía no cambia durante la aniquilación).
Además, el proceso de convertir un muón y antimuón en dos fotones ocurre exactamente de la misma manera y ocurre con casi la misma probabilidad que el proceso de convertir un muón y antimuón en un electrón y un positrón, es decir, la aniquilación de materia y antimateria en otro tipo de materia y antimateria. No importa qué palabras se usen para expresar, aún es imposible decir que la materia y la antimateria siempre se aniquilan en algo que incluso podría llamarse más o menos "energía"; Hay otras posibilidades.
Por lo tanto, no uso la expresión "materia y energía" en mis artículos, hablando de aniquilación. Acabo de llamar al proceso su nombre:
partícula 1 + antipartícula 1 → partícula 2 + antipartícula 2
Con esta terminología, queda claro por qué el muón y el antimuón se aniquilan en dos fotones, o en un electrón y un positrón, o en un neutrino y antineutrino de la misma manera. Todos estos son procesos de una clase. No hay necesidad de crear una clasificación inexistente que confunda la universalidad del proceso de aniquilación de partículas / antipartículas.
En general, la materia y la energía no lo son todo.
¿Por qué la gente a veces habla de "materia y energía" como si todo lo que lo rodea es materia o energía? No sé en qué contexto se inventó esta expresión. El lenguaje refleja una historia y, a menudo, responde lentamente a la nueva información. Parte del problema es que desde 1900 hasta 1980 hubo grandes cambios en los conceptos físicos relacionados con el mundo y en qué consiste. Ahora este proceso casi se ha detenido. A lo largo de mi carrera, ha sido sorprendentemente estable.
Nuestra visión actual del mundo físico ha sido moldeada por una amplia gama de experimentos y descubrimientos que ocurrieron en los años cincuenta, sesenta y setenta. Pero las formas anteriores de pensar y razonar sobre la física de partículas no se extinguieron hasta los años ochenta y noventa, cuando estudié y era un joven científico. Y no es sorprendente: las personas que crecieron con viejas ideas toman mucho tiempo para reorganizarse en nuevas, y algunas no se reorganizan. La nueva visión toma tiempo para tomar forma y lidiar con todos los defectos menores.
Hoy, hablando del mundo en el contexto del punto de vista moderno, antes que nada es necesario hablar de "campos y sus partículas". Los campos son los principales componentes del mundo, según el paradigma dominante moderno. Los campos nos parecen más fundamentales que las partículas, ya que no hay una partícula elemental sin un campo, y sucede un campo sin una partícula. Pero resulta que cada uno de los campos que conocemos tiene una partícula que conocemos.
¿Qué tienen en común “campos y partículas” con “materia y energía”? No mucho Podría llamar a algunos campos y partículas "materia", pero cuáles de ellos son materia y cuáles no, depende de su definición de materia. Pero todos los campos y partículas pueden tener energía, y no son energía.
Partículas de materia y partículas de interacciones.
En mis artículos, divido las partículas conocidas en "partículas de materia" y "partículas de interacciones". No me gusta esto, porque esa separación es artificial. Hasta ahora funciona; Las partículas de interacciones y sus antipartículas están asociadas con cuatro interacciones en la naturaleza que conocemos hoy en día, y las partículas de materia y sus antipartículas son el resto. En muchos casos, tal separación es conveniente. Pero en el Gran Colisionador de Hadrones podemos descubrir partículas que no encajan en estas categorías, e incluso con la partícula de Higgs hay ciertos problemas.
Hay una división completamente diferente que tiene sentido: lo que yo llamo partículas de materia son fermiones, y lo que yo llamo partículas de interacciones son bosones. Pero esto puede cambiar después de nuevos descubrimientos.
De hecho, todo se reduce al hecho de que todas las partículas en la naturaleza son solo partículas, algunas de las cuales sirven como antipartículas entre sí, y no hay una forma única de dividirlas en clases. Uso las palabras "materia" e "interacción" porque no suena tan abstracto como "fermiones" y "bosones", pero es posible que me arrepienta, porque podemos detectar partículas que violan esta separación.
Materia y energía en el universo
Otro lugar donde encontramos estas palabras es la historia y las propiedades del cosmos en su conjunto. Leemos sobre materia, radiación, materia oscura y energía oscura. El uso de estas palabras por los cosmólogos es diferente del esperado, y de hecho tienen dos o tres significados diferentes, dependiendo del contexto.
Materia y antimateria: las personas que hablan de ellas significan la primera definición de las tres. Por lo general, hablan sobre la prevalencia de la materia sobre la antimateria en el Universo: que hay muchas más partículas que forman la materia ordinaria (electrones, protones y neutrones) que sus antipartículas.
Materia y radiación: esta separación implica una tercera definición de la lista. El universo tiene una temperatura. Al principio hacía mucho calor, y luego se enfrió gradualmente, y ahora está a 2.7 grados por encima del cero absoluto. Si tiene un gas (o plasma) de partículas a una temperatura dada T, y mide las energías de estas partículas, encontrará que la energía de partículas promedio es k T, donde k es la famosa constante de Boltzmann. En este sentido, la materia es cualquier partícula cuya energía de masa mc
2 es mayor que la energía de movimiento promedio kT. Para tales partículas, la velocidad será mucho más baja que la velocidad de la luz. La radiación es cualquier partícula cuya energía de masa es pequeña en comparación con kT y, por lo tanto, se mueve a una velocidad cercana a la luz.
Resulta que en este contexto, lo que es y lo que no importa depende de la temperatura y, por lo tanto, del tiempo. En el Universo temprano, en el que las temperaturas eran de billones de grados o más, el electrón era lo que los cosmólogos considerarían radiación. Hoy, en un universo frío, un electrón cae en la categoría de materia. En el Universo moderno, de acuerdo con esta definición, al menos dos de los tres tipos de neutrinos son materia, o tal vez los tres. Pero en el Universo temprano, los tres neutrinos eran radiación. Los fotones siempre han sido y serán radiación, ya que no tienen masa.
¿Qué es la materia oscura? Según el estudio de los movimientos de las estrellas y otras técnicas, podemos decir que la mayor parte de la masa de galaxias es algo que no brilla, y se ha gastado mucho en evidencia de que las partículas que sabemos que se comportan de la manera habitual no son responsables. fuerzas Se han propuesto muchas teorías para explicar este efecto, y muchas han sido refutadas (generalmente observando la apariencia y el comportamiento de las galaxias). De las teorías restantes, una de las principales dice que la materia oscura consiste en partículas pesadas de un tipo desconocido. Pero no sabemos nada más sobre ellos. Los experimentos nos pueden dar nueva información, aunque esto no está garantizado. Noto: puede resultar que no tiene sentido hablar de antipartículas oscuras, ya que las partículas de materia oscura, como los fotones o las partículas Z, pueden convertirse en sus propias antipartículas.
¿Qué pasa con la energía oscura? Recientemente se descubrió que el Universo se está expandiendo con aceleración, y no con desaceleración, como lo fue en los primeros años. Presumiblemente, lo que se llama "energía oscura" es responsable de esto, pero en realidad no es energía. Como le gusta decir a mi colega Sean Carroll, esto es tensión, no energía, una combinación de presión y densidad de energía. ¿Por qué se llama energía? En parte debido a las relaciones públicas. La energía oscura suena genial. La tensión oscura suena extraña, como cualquier otra palabra más o menos adecuada. En cierto modo, esto es algo inofensivo. Los científicos saben lo que está en juego, y la terminología no causa problemas técnicos. A la mayoría del público no le importa de qué están hablando, por lo que podemos decir que tampoco hay ningún problema en el lado no técnico. Pero si realmente quieres resolverlo, es importante entender que la energía oscura no es una forma oscura de energía, sino algo más sutil. Además, como la energía, la energía oscura no es un objeto ni un conjunto de objetos, sino una propiedad que los campos o combinaciones de campos del espacio-tiempo pueden poseer. Todavía no sabemos qué es responsable de la energía oscura, cuya existencia juzgamos por el Universo acelerado. Y antes de que sepamos esto, puede pasar mucho tiempo.
Por cierto, ¿sabías lo que los astrónomos quieren decir con "metales"?
No es lo que piensas ...Después de leer el artículo, puede tener la impresión de que los físicos modernos no son particularmente ingeniosos, creativos o claros con el lenguaje. Obviamente, este no es nuestro fuerte. Big Bang? Agujero negro? Los poetas de todo el mundo nunca nos perdonarán por elegir nombres tan estúpidos para fenómenos tan fantásticos ...