Materi dan Energi: Dikotomi Palsu

Seringkali, ketika membaca artikel tentang Alam Semesta atau fisika partikel, Anda dapat menemukan frasa yang menyebutkan "materi dan energi" seolah-olah mereka adalah dua hal yang berlawanan, atau dua mitra, atau dua sisi dari koin yang sama, atau dua kelas yang membentuk sisanya. Ini muncul dalam banyak konteks. Terkadang Anda dapat melihat bagaimana Big Bang digambarkan secara puitis sebagai momen munculnya semua "materi dan energi" Semesta. Orang dapat membaca bahwa "materi dan antimateri musnah menjadi energi murni." Dan tentu saja, mari kita ingat dua misteri terbesar astronomi - "materi gelap" dan "energi gelap".

Sebagai seorang ilmuwan dan spesialis yang menulis tentang topik ilmiah, saya jengkel dengan terminologi seperti itu, bukan karena itu sepenuhnya salah, tetapi karena percakapan seperti itu menyesatkan orang yang tidak terlibat dalam sains. Bagi fisikawan, artinya sedikit. Julukan puitis ini berhubungan dengan apa yang didefinisikan secara jelas dalam matematika dan eksperimen, dan definisi yang ambigu hanya secara singkat mengungkapkan frasa yang tepat panjang. Tetapi bagi mereka yang bukan ahli, ini sangat membingungkan, karena setiap konteks menggunakan definisi materi mereka sendiri, dan artinya kata "energi" kadang-kadang bahkan kuno atau hanya salah. Dan salah satu metode menyiratkan bahwa segala sesuatu yang ada dapat berupa materi atau energi - dan ini tidak demikian. Faktanya, materi dan energi umumnya masuk dalam kategori yang berbeda - seperti berbicara dalam satu kalimat tentang apel dan orangutan, atau tentang surga dan cacing, atau tentang burung dan bola pantai.

Di situs ini saya akan mencoba menjadi lebih tepat untuk membantu pembaca menghindari kebingungan yang timbul dari cara pengungkapan ini.

Secara singkat

Karena artikel ini panjang, saya harap artikel ini informatif dan mencerahkan semua orang yang suka mempelajari detailnya. Dan di sini saya akan merangkum semua yang dikatakannya:

• Materi dan energi tidak termasuk dalam kelas konsep yang sama dan tidak seharusnya membentuk pasangan dalam pikiran seseorang.
• Materi adalah istilah yang ambigu. Baginya, ada beberapa definisi berbeda yang digunakan dalam literatur ilmiah dan non-fiksi. Setiap definisi mencakup subset partikel tertentu. Yaitu, materi selalu semacam substansi, tetapi yang mana tepatnya tergantung pada konteksnya.
• Energi adalah istilah yang tidak ambigu (setidaknya dalam fisika). Tetapi energi bukanlah suatu zat. Ini adalah zat yang dimilikinya.
• Istilah "energi gelap" membingungkan karena bukan hanya energi. Itu bukan zat. Beberapa substansi mungkin ikut bertanggung jawab atas keberadaannya, tetapi detailnya tidak diketahui oleh kami.
• Foton tidak perlu disebut "energi," atau "energi murni." Semua partikel adalah gangguan ladang, dan mereka memiliki energi. Foton tidak menonjol pada sesuatu yang istimewa. Foton adalah materi, tetapi energi tidak.
• Semua substansi Alam Semesta terdiri dari bidang (komponen paling sederhana Alam Semesta) dan partikelnya. Sudut pandang ini berasal dari tahun 1973.

Apa itu materi (dan energi)?

Pertama, mari kita tentukan persyaratannya.

"Materi" adalah istilah yang sangat ambigu. Baginya tidak ada definisi universal yang tidak tergantung pada konteksnya. Di berbagai tempat, setidaknya tiga definisi digunakan. Materi bisa disebut:

1. Atom, blok bangunan dasar dari apa yang kita anggap sebagai "bahan" - sebuah meja, udara, batu, kulit, jus jeruk - dan partikel-partikel yang membentuk atom itu sendiri, termasuk elektron, serta proton dan neutron yang membentuk inti atom.
2. "Partikel material" dasar alam: elektron, muon, tau, tiga jenis neutrino, enam jenis quark - semua jenis partikel yang tidak mentransfer interaksi (yaitu, kecuali untuk foton, gluon, graviton, W dan Z). Menariknya, partikel Higgs tidak ingin masuk ke dalam pembagian yang mudah ini menjadi partikel-partikel materi dan partikel interaksi, karena klasifikasi ini pada awalnya sedikit buatan.
3. Kelas partikel yang dapat ditemukan di Semesta, dan yang rata-rata bergerak lebih lambat dari cahaya.

Dengan salah satu definisi ini, elektron akan merujuk pada materi (meskipun menurut definisi ketiga, mereka tidak menjadi masalah di periode awal sejarah Semesta, ketika itu jauh lebih panas). Menurut definisi kedua, muon juga penting, seperti neutrino, meskipun tidak ada materi biasa yang terdiri dari mereka. Menurut definisi ketiga, beberapa neutrino mungkin atau mungkin bukan materi, dan materi gelap pasti akan menjadi materi, bahkan jika ternyata itu terdiri dari jenis partikel baru yang mentransfer interaksi. Saya sangat menyesal bahwa definisi ini sangat membingungkan, tetapi jika Anda ingin tahu apa artinya "masalah" dalam berbagai buku dan artikel, Anda perlu memahami berbagai cara menggunakan istilah ini.

"Energi", untungnya (dalam arti di mana fisikawan menggunakannya), adalah konsep yang didefinisikan dengan sangat baik yang disetujui oleh semua fisikawan. Sayangnya, kata ini memiliki banyak arti dalam bahasa Inggris [dan Rusia] sehingga sangat mudah untuk bingung, memahami apa yang dimaksud oleh fisikawan. Saya menjelaskan secara singkat berbagai bentuk energi fisik dalam sebuah artikel tentang massa dan energi . Untuk saat ini, cukuplah mengatakan bahwa energi bukanlah objek. Atom adalah objek, energi tidak. Energi dapat dimiliki oleh objek dan kelompok objek - ini adalah properti dari objek yang menggambarkan perilaku mereka dan hubungannya satu sama lain. Cukup bagi kita untuk mengetahui bahwa partikel yang bergerak sendiri melalui ruang dapat memiliki dua jenis energi: energi massa (E = mc ² , tidak tergantung pada gerakan partikel) dan energi gerak (energi ini nol untuk sebuah partikel saat istirahat dan menjadi lebih besar semakin cepat bergerak).

Penghancuran partikel dan antipartikel bukanlah konversi materi menjadi energi

Pertimbangkan representasi seperti "materi dan antimateri yang memusnahkan menjadi energi murni". Sederhananya, ini tidak benar karena beberapa alasan.

Tepat di atas saya memberi Anda tiga definisi materi yang berbeda. Berbicara tentang penghancuran partikel dan antipartikel, pembicara mungkin memikirkan yang pertama atau kedua dari mereka. Saya ingin membahas pemusnahan elektron dan anti-elektron (atau positron), atau pemusnahan muon dan antimuon. Rincian proses ini dijelaskan dalam artikel tentang penghancuran partikel dan anti partikel .

Apa yang dimaksud dengan "energi bersih"? Ini paling sering dijelaskan oleh foton, dan biasanya dalam konteks elektron dan positron (atau partikel masif dan antipartikel). Tetapi melakukannya sangat buruk. Energi adalah apa yang dimiliki foton, bukan apa yang mereka miliki. Saya memiliki berat dan berat - tetapi itu tidak berarti bahwa saya tinggi dan berat.

Istilah "energi bersih" adalah campuran dari puisi, deskripsi singkat, dan sampah. Karena foton tidak memiliki massa, mereka tidak memiliki energi massa, oleh karena itu energinya adalah “energi gerak murni”. Tetapi ini tidak sama dengan mengatakan: "Foton adalah 'energi murni'", yang ada dalam fisika ketat, yang ada dalam pikiran seorang amatir. Foton adalah partikel, sama seperti elektron. Keduanya adalah riak bidang yang sesuai, dan keduanya memiliki energi. Elektron dan positron yang dimusnahkan juga memiliki energi - jumlah energi yang sama dengan foton yang dimusnahkannya, karena energinya disimpan (jumlah total energi tidak berubah selama pemusnahan).



Selain itu, proses mengubah muon dan antimuon menjadi dua foton terjadi dengan cara yang persis sama dan terjadi dengan probabilitas yang hampir sama dengan proses mengubah muon dan antimuon menjadi elektron dan positron, yaitu penghancuran materi dan antimateri menjadi jenis materi lain dan antimateri. Tidak masalah apa kata yang digunakan untuk mengungkapkan, masih tidak mungkin untuk mengatakan bahwa materi dan antimateri selalu musnah menjadi sesuatu yang bahkan bisa secara kasar disebut "energi"; ada kemungkinan lain.

Karena itu, saya tidak menggunakan ungkapan "materi dan energi" dalam artikel saya, berbicara tentang pemusnahan. Saya sebut saja proses namanya:

partikel 1 + antipartikel 1 → partikel 2 + antipartikel 2

Dengan terminologi ini, jelas mengapa muon dan antimuon dimusnahkan menjadi dua foton, atau menjadi elektron dan positron, atau menjadi neutrino dan antineutrino dengan cara yang sama. Ini semua adalah proses dari satu kelas. Tidak perlu membuat klasifikasi yang tidak ada yang membingungkan universalitas proses pemusnahan partikel / antipartikel.

Secara umum, materi dan energi bukanlah segalanya.

Mengapa orang kadang-kadang berbicara tentang "materi dan energi" seolah-olah segala sesuatu di sekitar adalah materi atau energi? Saya tidak tahu dalam konteks apa ungkapan ini diciptakan. Bahasa mencerminkan sebuah cerita, dan seringkali lambat merespons informasi baru. Bagian dari masalahnya adalah bahwa dari tahun 1900 hingga 1980 ada perubahan besar dalam konsep fisik yang terkait dengan dunia dan apa yang terkandung di dalamnya. Sekarang proses ini hampir berhenti. Sepanjang karier saya, secara mengejutkan ia stabil.

Pandangan kami saat ini tentang dunia fisik telah dibentuk oleh berbagai eksperimen dan penemuan yang terjadi pada 1950-an, 60-an, dan 70-an. Tetapi cara berpikir dan berpikir sebelumnya tentang fisika partikel tidak hilang sampai tahun 1980-an dan 90-an, ketika saya belajar dan masih seorang ilmuwan muda. Dan itu tidak mengejutkan - orang-orang yang tumbuh dengan ide-ide lama membutuhkan banyak waktu untuk menata ulang ide-ide baru, dan beberapa tidak menata ulang. Visi baru membutuhkan waktu untuk membentuk dan menangani semua kelemahan kecil.

Hari ini, berbicara tentang dunia dalam konteks sudut pandang modern, pertama-tama, perlu untuk berbicara tentang “ladang dan partikelnya”. Bidang adalah komponen utama dunia, sesuai dengan paradigma dominan modern. Menurut kami medan lebih mendasar daripada partikel, karena tidak ada partikel elementer tanpa medan, dan medan tanpa partikel terjadi. Tetapi ternyata masing-masing bidang yang kita kenal memiliki partikel yang kita kenal.

Apa kesamaan "medan dan partikel" dengan "materi dan energi"? Tidak banyak. Anda bisa menyebut beberapa bidang dan partikel “materi”, tetapi yang mana dari materi itu dan mana yang tidak, tergantung pada definisi materi Anda. Tetapi semua bidang dan partikel dapat memiliki energi, dan itu bukan energi.

Partikel materi dan partikel interaksi

Dalam artikel saya, saya membagi partikel yang diketahui menjadi "partikel materi" dan "partikel interaksi". Saya tidak suka ini, karena pemisahan seperti itu adalah buatan. Sejauh ini berhasil; partikel-partikel interaksi dan antipartikelnya berhubungan dengan empat interaksi di alam yang kita kenal sekarang, dan partikel-partikel materi dan antipartikelnya adalah sisanya. Dalam banyak kasus, pemisahan seperti itu mudah dilakukan. Tetapi pada Large Hadron Collider kita dapat menemukan partikel yang tidak sesuai dengan kategori ini, dan bahkan dengan partikel Higgs ada masalah tertentu.

Ada pembagian yang sangat berbeda yang masuk akal: apa yang saya sebut partikel-partikel materi adalah fermion, dan apa yang saya sebut partikel-partikel interaksi adalah boson. Tetapi ini dapat berubah setelah penemuan baru.

Faktanya, semuanya bermuara pada fakta bahwa semua partikel di alam hanyalah partikel, beberapa di antaranya berfungsi sebagai antipartikel satu sama lain, dan tidak ada cara unik untuk membaginya menjadi beberapa kelas. Saya menggunakan kata-kata "materi" dan "interaksi" karena tidak terdengar abstrak seperti "fermion" dan "boson" - tetapi ada kemungkinan bahwa saya akan menyesalinya, karena kita dapat mendeteksi partikel yang melanggar pemisahan ini.

Materi dan energi di alam semesta

Tempat lain di mana kita bertemu kata-kata ini adalah sejarah dan sifat-sifat kosmos secara keseluruhan. Kita membaca tentang materi, radiasi, materi gelap, dan energi gelap. Penggunaan kata-kata ini oleh kosmolog berbeda dari yang diharapkan - dan pada kenyataannya mereka memiliki dua atau tiga makna yang berbeda, tergantung pada konteksnya.

Materi dan antimateri: orang berbicara tentang mereka berarti definisi pertama dari ketiganya. Mereka biasanya berbicara tentang prevalensi materi dibandingkan antimateri di Semesta - bahwa ada lebih banyak partikel yang membentuk materi biasa (elektron, proton dan neutron) daripada antipartikel mereka.

Materi dan radiasi: pemisahan ini menyiratkan definisi ketiga dari daftar. Alam semesta memiliki suhu. Awalnya sangat panas, kemudian perlahan-lahan menjadi dingin, dan sekarang berada pada 2,7 derajat di atas nol mutlak. Jika Anda memiliki gas (atau plasma) partikel pada suhu T yang diberikan, dan Anda mengukur energi partikel-partikel ini, Anda akan menemukan bahwa energi partikel rata-rata adalah k T, di mana k adalah konstanta Boltzmann yang terkenal. Dalam pengertian ini, materi adalah partikel apa pun yang energi massanya mc ² lebih besar dari energi gerak rata-rata kT. Untuk partikel seperti itu, kecepatannya akan jauh lebih rendah daripada kecepatan cahaya. Radiasi adalah partikel apa pun yang energi massanya kecil dibandingkan dengan kT, dan karena itu ia bergerak dengan kecepatan mendekati cahaya.

Ternyata dalam konteks ini, apa yang ada dan yang tidak penting tergantung pada suhu, dan karenanya pada waktu! Di alam semesta awal, di mana suhu adalah triliunan derajat atau lebih, elektron adalah apa yang kosmolog akan anggap sebagai radiasi. Hari ini, di alam semesta yang dingin, sebuah elektron masuk ke dalam kategori materi. Di Alam Semesta modern, menurut definisi ini, setidaknya dua dari tiga jenis neutrino adalah materi, atau mungkin ketiganya. Tetapi di alam semesta awal, ketiga neutrino adalah radiasi. Foton selalu dan akan menjadi radiasi, karena tidak bermassa.

Apa itu materi gelap? Berdasarkan studi tentang pergerakan bintang dan teknik lainnya, kita dapat mengatakan bahwa sebagian besar massa galaksi adalah sesuatu yang tidak berpendar, dan banyak yang telah dihabiskan untuk bukti bahwa partikel yang kita ketahui berperilaku dengan cara biasa tidak bertanggung jawab. kekuatan. Banyak teori telah diajukan untuk menjelaskan efek ini, dan banyak yang telah dibantah (biasanya dengan mengamati penampilan dan perilaku galaksi). Dari teori yang tersisa, salah satu yang terkemuka mengatakan bahwa materi gelap terdiri dari partikel-partikel berat dari jenis yang tidak diketahui. Tetapi kita tidak tahu lebih banyak tentang mereka. Eksperimen dapat memberi kami informasi baru, meskipun ini tidak dijamin. Saya perhatikan: mungkin ternyata tidak ada gunanya membicarakan antipartikel gelap, karena partikel materi gelap, seperti foton atau partikel Z, dapat berubah menjadi antipartikel mereka sendiri.

Bagaimana dengan energi gelap? Baru-baru ini ditemukan bahwa Semesta berkembang dengan akselerasi, dan bukan dengan perlambatan, seperti pada tahun-tahun awal. Agaknya, apa yang disebut "energi gelap" bertanggung jawab untuk ini, tetapi pada kenyataannya itu bukan energi. Seperti yang dikatakan rekan saya, Sean Carroll, ini adalah ketegangan, bukan energi - kombinasi tekanan dan kepadatan energi. Mengapa itu disebut energi? Sebagian karena hubungan masyarakat. Energi gelap terdengar keren. Ketegangan gelap terdengar aneh, seperti kata lain yang kurang lebih cocok. Di satu sisi, ini adalah hal yang tidak berbahaya. Para ilmuwan tahu apa yang dipertaruhkan, dan terminologi tidak menyebabkan masalah di sisi teknis. Sebagian besar masyarakat tidak peduli dengan apa yang mereka bicarakan, jadi kita dapat mengatakan bahwa tidak ada masalah di sisi non-teknis juga. Tetapi jika Anda benar-benar ingin mengetahuinya, penting untuk memahami bahwa energi gelap bukanlah bentuk energi gelap, tetapi sesuatu yang lebih halus. Selain itu, seperti energi, energi gelap bukanlah objek dan bukan seperangkat objek, tetapi properti yang dapat dimiliki bidang atau kombinasi bidang ruang-waktu. Kita belum tahu apa yang bertanggung jawab atas energi gelap, keberadaannya yang kita nilai oleh Alam Semesta yang semakin cepat. Dan sebelum kita mengetahui hal ini, banyak waktu mungkin berlalu.

Ngomong-ngomong, apakah Anda tahu apa yang para astronom maksud dengan "logam"? Tidak apa yang kamu pikirkan ...

Setelah membaca artikel, Anda mungkin memiliki kesan bahwa fisikawan modern tidak terlalu inventif, kreatif atau jernih dengan bahasa. Jelas, ini bukan keahlian kami. Big bang? Lubang hitam? Penyair di seluruh dunia tidak akan pernah memaafkan kita karena memilih nama bodoh seperti itu untuk fenomena fantastis seperti ...