Souvent, lorsque vous lisez des articles sur l'Univers ou la physique des particules, vous pouvez tomber sur une phrase qui mentionne «matière et énergie» comme s'il s'agissait de deux opposés, ou de deux partenaires, ou des deux côtés d'une même pièce, ou de deux classes qui composent le reste. Cela apparaît dans de nombreux contextes. Parfois, vous pouvez voir comment le Big Bang est décrit poétiquement comme le moment de l'émergence de toute la «matière et l'énergie» de l'Univers. On peut lire que «la matière et l'antimatière s'anéantissent en énergie pure». Et bien sûr, rappelons-nous les deux plus grands mystères de l'astronomie - la «matière noire» et «l'énergie noire».
En tant que scientifique et spécialiste écrivant sur des sujets scientifiques, je suis ennuyé par une telle terminologie, non pas parce qu'elle est complètement incorrecte, mais parce que de telles conversations induisent en erreur des personnes qui ne sont pas impliquées dans la science. Pour les physiciens, cela signifie peu. Ces épithètes poétiques se rapportent à ce qui est clairement défini dans les mathématiques et les expériences, et les définitions ambiguës expriment simplement brièvement de longues phrases exactes. Mais pour ceux qui ne sont pas des experts, c'est très déroutant, car chaque contexte utilise sa propre définition de la matière, et sa signification du mot «énergie» est parfois même archaïque ou simplement incorrecte. Et n'importe laquelle des méthodes implique que tout ce qui existe peut être de la matière ou de l'énergie - et ce n'est pas le cas. En fait, la matière et l'énergie entrent généralement dans différentes catégories - c'est comme parler en une phrase des pommes et des orangs-outans, ou du ciel et des vers, ou des oiseaux et des ballons de plage.
Sur ce site j'essaierai d'être plus précis afin d'aider le lecteur à éviter la confusion résultant de ce mode d'expression.
Brièvement
Étant donné que l'article est long, j'espère qu'il sera instructif et éclairera tous ceux qui aiment se plonger dans les détails. Et ici, je vais résumer tout ce qu'il dit:
• La matière et l'énergie n'appartiennent pas à la même classe de concepts et ne devraient pas former une paire dans l'esprit d'une personne.
• La matière est un terme ambigu. Pour elle, il existe plusieurs définitions différentes utilisées à la fois dans la littérature scientifique et dans la non-fiction. Chaque définition couvre un sous-ensemble spécifique de particules. C'est-à-dire que la matière est toujours une sorte de substance, mais laquelle dépend exactement du contexte.
• L'énergie est un terme sans ambiguïté (au moins en physique). Mais l'énergie n'est pas une substance. C'est ce que la substance a.
• Le terme «énergie sombre» prête à confusion car il ne s'agit pas seulement d'énergie. Ce n'est pas une substance. Certaines substances peuvent être partiellement responsables de sa présence, mais les détails nous sont inconnus.
• Les photons n'ont pas besoin d'être appelés «énergie» ou «énergie pure». Toutes les particules perturbent les champs et ont de l'énergie. Les photons ne se distinguent par rien de spécial. Les photons sont de la matière, mais pas de l'énergie.
• Toute la substance de l'Univers est constituée de champs (les composants les plus simples de l'Univers) et de leurs particules. Ce point de vue remonte à 1973.
Qu'est-ce que la matière (et l'énergie)?
Définissons d'abord les termes.
«La matière» est un terme terriblement ambigu. Pour lui, il n'y a pas de définition universelle qui ne dépende du contexte. À divers endroits, au moins trois définitions sont utilisées. La matière peut être appelée:
1. Les atomes, les éléments de base de ce que nous percevons comme «matériel» - une table, de l'air, de la pierre, de la peau, du jus d'orange - et les particules qui composent les atomes eux-mêmes, y compris les électrons, ainsi que les protons et les neutrons qui composent le noyau atome.
2. «Particules matérielles» élémentaires de la nature: électrons, muons, tau, trois types de neutrinos, six types de quarks - tous les types de particules qui ne transfèrent pas les interactions (c'est-à-dire, à l'exception des photons, des gluons, des gravitons, du W et du Z). Fait intéressant, la particule de Higgs ne veut pas s'inscrire dans cette division pratique en particules de matière et particules d'interactions, car cette classification est initialement un peu artificielle.
3. Classes de particules qui peuvent être trouvées dans l'Univers et qui se déplacent en moyenne plus lentement que la lumière.
Selon l'une de ces définitions, les électrons se réfèrent à la matière (bien que selon la troisième définition, ils n'étaient pas de la matière dans les premières périodes de l'histoire de l'Univers, quand il faisait beaucoup plus chaud). Selon la deuxième définition, les muons sont également de la matière, comme les neutrinos, bien qu'aucun matériau ordinaire n'en soit constitué. Selon la troisième définition, certains neutrinos peuvent ou non être de la matière, et la matière noire sera certainement de la matière, même s'il s'avère qu'il s'agit d'un nouveau type de particules qui transfèrent les interactions. Je suis vraiment désolé que ces définitions soient si confuses, mais si vous voulez savoir ce que signifie «matière» dans divers livres et articles, vous devez comprendre différentes façons d'utiliser ce terme.
«Énergie», heureusement (dans le sens où les physiciens l'utilisent), est un concept très bien défini avec lequel tous les physiciens sont d'accord. Malheureusement, ce mot a tellement de significations en anglais [et en russe] qu'il est très facile de se confondre, en comprenant ce que les physiciens veulent dire. J'ai brièvement décrit diverses formes d'énergie physique dans un
article sur la masse et l'énergie . Pour l'instant, il suffit de dire que l'énergie n'est pas un objet. L'atome est un objet, l'énergie ne l'est pas. L'énergie peut être possédée par des objets et des groupes d'objets - c'est une propriété des objets qui décrit leur comportement et leurs relations les uns avec les autres. Il nous suffit de savoir que les particules se déplaçant seules dans l'espace peuvent avoir deux types d'énergies: l'énergie de masse (E = mc
2 , indépendante du mouvement des particules) et l'énergie de mouvement (cette énergie est nulle pour une particule au repos et devient plus grande plus il se déplace rapidement).
L'anéantissement des particules et des antiparticules n'est pas la conversion de la matière en énergie
Considérez une représentation comme «la matière et l'antimatière s'anéantissant en énergie pure». Autrement dit, ce n'est pas vrai pour plusieurs raisons.
Juste au-dessus, je vous ai donné trois définitions différentes de la matière. Parlant de l'anéantissement des particules et des antiparticules, l'orateur peut avoir en tête la première ou la seconde d'entre elles. Je veux parler de l'annihilation d'un électron et d'un anti-électron (ou positron), ou de l'annihilation d'un muon et d'un antimuon. Les détails de ce processus sont décrits
dans un article sur l'anéantissement des particules et des antiparticules .
Qu'entend-on par «énergie propre»? Ceci est le plus souvent décrit par des photons, et généralement dans le contexte d'un électron et d'un positron (ou d'autres particules et antiparticules massives). Mais cela est très mauvais. L'énergie est ce que les photons possèdent, pas ce qu'ils sont. J'ai du poids et du poids - mais cela ne veut pas dire que je suis de taille et de poids.
Le terme «énergie propre» est un mélange de poésie, de brèves descriptions et d'ordures. Puisque les photons n'ont pas de masse, ils n'ont pas d'énergie de masse, donc leur énergie est «purement de l'énergie de mouvement». Mais ce n'est pas la même chose que de dire: «Le photon est de« l'énergie pure »», ce qui est en physique stricte, ce qui est dans l'esprit d'un amateur. Les photons sont des particules, les mêmes que les électrons. Les deux sont des ondulations des champs correspondants, et tous deux ont de l'énergie. L'électron et le positron annihilés ont également de l'énergie - la même quantité d'énergie que les photons auxquels ils seront annihilés, car l'énergie est économisée (la quantité totale d'énergie ne change pas pendant l'annihilation).
De plus, le processus de conversion d'un muon et d'un antimuon en deux photons se déroule exactement de la même manière et se produit avec presque la même probabilité que le processus de conversion d'un muon et d'un antimuon en un électron et un positron, c'est-à-dire l'annihilation de la matière et de l'antimatière en un autre type de matière et d'antimatière. Peu importe les mots utilisés pour exprimer, il est toujours impossible de dire que la matière et l’antimatière s’anéantissent toujours en quelque chose qui pourrait même être grossièrement appelé «énergie»; il y a d'autres possibilités.
Par conséquent, je n'utilise pas l'expression «matière et énergie» dans mes articles, parlant d'anéantissement. J'appelle simplement le processus son nom:
particule 1 + antiparticule 1 → particule 2 + antiparticule 2
Avec cette terminologie, il est clair pourquoi le muon et l'antimuon s'annihilent en deux photons, ou en un électron et un positron, ou en neutrinos et antineutrinos de la même manière. Ce sont tous des processus d'une même classe. Il n'est pas nécessaire de créer une classification inexistante qui confond l'universalité du processus d'annihilation des particules / antiparticules.
En général, la matière et l'énergie ne sont pas tout.
Pourquoi les gens parlent-ils parfois de «matière et d'énergie» comme si tout ce qui l'entourait était de la matière ou de l'énergie? Je ne sais pas dans quel contexte cette expression a été inventée. La langue reflète une histoire et réagit souvent lentement à de nouvelles informations. Une partie du problème est que de 1900 à 1980, il y a eu d'énormes changements dans les concepts physiques liés au monde et en quoi il se compose. Maintenant, ce processus s'est presque arrêté. Tout au long de ma carrière, il a été étonnamment stable.
Notre vision actuelle du monde physique a été façonnée par un large éventail d'expériences et de découvertes survenues dans les années 50, 60 et 70. Mais les anciennes façons de penser et de raisonner sur la physique des particules n'ont disparu que dans les années 80 et 90, lorsque j'ai étudié et j'étais un jeune scientifique. Et ce n'est pas surprenant - les gens qui ont grandi avec de vieilles idées prennent beaucoup de temps pour se réorganiser en de nouvelles, et certains ne se réorganisent pas. La nouvelle vision prend du temps à prendre forme et à traiter tous les défauts mineurs.
Aujourd'hui, en parlant du monde dans le contexte du point de vue moderne, il faut tout d'abord parler de «champs et de leurs particules». Les champs sont les principales composantes du monde, selon le paradigme dominant moderne. Les champs nous semblent plus fondamentaux que les particules, car il n'y a pas de particule élémentaire sans champ, et un champ sans particule se produit. Mais il s'avère que chacun des champs que nous connaissons a une particule connue de nous.
Qu'est-ce que «champs et particules» ont en commun avec «matière et énergie»? Pas grand chose. Vous pourriez appeler certains champs et particules «matière», mais lesquels d'entre eux sont de la matière et lesquels ne le sont pas, cela dépend de votre définition de la matière. Mais tous les champs et particules peuvent avoir de l'énergie, et ce ne sont pas des énergies.
Particules de matière et particules d'interactions
Dans mes articles, je divise les particules connues en «particules de matière» et «particules d'interactions». Je n'aime pas ça, car une telle séparation est artificielle. Jusqu'à présent, cela fonctionne; les particules d'interactions et leurs antiparticules sont associées à quatre interactions dans la nature que nous connaissons aujourd'hui, et les particules de matière et leurs antiparticules sont tout le reste. Dans de nombreux cas, une telle séparation est pratique. Mais au Large Hadron Collider, nous pouvons découvrir des particules qui ne rentrent pas dans ces catégories, et même avec la particule de Higgs, il y a certains problèmes.
Il y a une division complètement différente qui a du sens: ce que j'appelle des particules de matière sont des fermions, et ce que j'appelle des particules d'interactions sont des bosons. Mais cela peut changer après de nouvelles découvertes.
En fait, tout se résume au fait que toutes les particules dans la nature ne sont que des particules, dont certaines servent d'antiparticules les unes aux autres, et il n'y a pas de moyen unique de les diviser en classes. J'utilise les mots «matière» et «interaction» car cela ne sonne pas aussi abstrait que «fermions» et «bosons» - mais il est possible que je le regrette, car nous pouvons détecter des particules qui violent cette séparation.
Matière et énergie dans l'univers
Un autre endroit où nous rencontrons ces mots est l'histoire et les propriétés du cosmos dans son ensemble. Nous lisons sur la matière, le rayonnement, la matière noire et l'énergie noire. L'utilisation de ces mots par les cosmologistes est différente de celle attendue - et en fait, ils ont deux ou trois sens différents, selon le contexte.
Matière et antimatière: les gens qui en parlent signifient la première définition des trois. Ils parlent généralement de la prévalence de la matière sur l'antimatière dans l'Univers - qu'il y a beaucoup plus de particules qui composent la matière ordinaire (électrons, protons et neutrons) que leurs antiparticules.
Matière et rayonnement: cette séparation implique une troisième définition de la liste. L'univers a une température. Au début, il faisait très chaud, puis il s'est progressivement refroidi, et maintenant il est à 2,7 degrés au-dessus du zéro absolu. Si vous avez un gaz (ou plasma) de particules à une température T donnée et que vous mesurez les énergies de ces particules, vous constaterez que l'énergie moyenne des particules est k T, où k est la fameuse constante de Boltzmann. En ce sens, la matière est toute particule dont l'énergie de masse mc
2 est supérieure à l'énergie de mouvement moyenne kT. Pour de telles particules, la vitesse sera bien inférieure à la vitesse de la lumière. Le rayonnement est toute particule dont l'énergie de masse est petite par rapport à kT, et donc il se déplace à une vitesse proche de la lumière.
Il s'avère que dans ce contexte, ce qui est et ce qui ne dépend pas dépend de la température, donc du temps! Dans le premier univers, dans lequel les températures étaient des billions de degrés ou plus, l'électron était ce que les cosmologistes considéreraient comme un rayonnement. Aujourd'hui, dans un univers froid, un électron entre dans la catégorie de la matière. Dans l'Univers moderne, selon cette définition, au moins deux des trois types de neutrinos sont de la matière, ou peut-être les trois. Mais au début de l'Univers, les trois neutrinos étaient des rayonnements. Les photons ont toujours été et seront toujours des radiations, car ils sont sans masse.
Qu'est-ce que la matière noire? Sur la base de l'étude des mouvements des étoiles et d'autres techniques, nous pouvons dire que la majeure partie de la masse des galaxies est quelque chose qui ne brille pas, et beaucoup a été dépensé pour prouver que les particules que nous savons qui se comportent de la manière habituelle ne sont pas responsables forces. De nombreuses théories ont été proposées pour expliquer cet effet, et beaucoup ont été réfutées (généralement en observant l'apparence et le comportement des galaxies). Parmi les théories restantes, l'une des principales dit que la matière noire est constituée de particules lourdes de type inconnu. Mais nous n'en savons rien de plus. Les expériences peuvent nous fournir de nouvelles informations, bien que cela ne soit pas garanti. Je note: il peut s'avérer inutile de parler d'antiparticules sombres, car les particules de matière noire, comme les photons ou les particules Z, peuvent se révéler être leurs propres antiparticules.
Et l'énergie noire? Récemment, il a été découvert que l'Univers se développe avec l'accélération, et non avec la décélération, comme c'était le cas au début. Vraisemblablement, ce qu'on appelle «l'énergie noire» en est responsable, mais en réalité ce n'est pas de l'énergie. Comme mon collègue Sean Carroll aime à le dire, c'est de la tension, pas de l'énergie - une combinaison de pression et de densité d'énergie. Pourquoi est-ce appelé énergie? En partie à cause des relations publiques. L'énergie sombre semble cool. La tension sombre semble étrange, comme tout autre mot plus ou moins approprié. D'une certaine manière, c'est une chose inoffensive. Les scientifiques savent ce qui est en jeu et la terminologie ne pose pas de problèmes sur le plan technique. La plupart des citoyens ne se soucient pas de quoi ils parlent, nous pouvons donc dire qu'il n'y a pas de problème non plus technique. Mais si vous voulez vraiment le comprendre, il est important de comprendre que l'énergie sombre n'est pas une forme sombre d'énergie, mais quelque chose de plus subtil. De plus, comme l'énergie, l'énergie sombre n'est pas un objet ni un ensemble d'objets, mais une propriété que peuvent posséder des champs ou des combinaisons de champs de l'espace-temps. Nous ne savons pas encore ce qui est responsable de l'énergie noire, dont nous jugeons l'existence par l'Univers accéléré. Et avant de le savoir, beaucoup de temps peut s'écouler.
Au fait, saviez-vous ce que les astronomes entendent par «métaux»?
Pas ce que vous pensez ...Après avoir lu l'article, vous pourriez avoir l'impression que les physiciens modernes ne sont pas particulièrement inventifs, créatifs ou clairs avec le langage. Évidemment, ce n'est pas notre fort. Big bang? Trou noir? Les poètes du monde entier ne nous pardonneront jamais d'avoir choisi des noms aussi stupides pour des phénomènes aussi fantastiques ...