Freqüentemente, enquanto lê artigos sobre o Universo ou a física de partículas, pode-se encontrar uma frase que menciona "matéria e energia" como se fossem dois opostos, ou dois parceiros, ou dois lados da mesma moeda ou duas classes que compõem o resto. Isso aparece em muitos contextos. Às vezes, você pode ver como o Big Bang é descrito poeticamente como o momento de emergência de toda a "matéria e energia" do Universo. Pode-se ler que "matéria e antimatéria se aniquilam em energia pura". E, claro, vamos relembrar os dois maiores mistérios da astronomia - "matéria escura" e "energia escura".
Como cientista e especialista que escreve sobre tópicos científicos, fico aborrecido com essa terminologia, não porque seja completamente incorreta, mas porque essas conversas enganam as pessoas que não estão envolvidas na ciência. Para os físicos, isso significa pouco. Esses epítetos poéticos se referem ao que é claramente definido em matemática e experimentos, e definições ambíguas simplesmente expressam brevemente frases exatas longas. Mas para quem não é especialista, isso é muito confuso, pois cada contexto usa sua própria definição de matéria, e seu significado da palavra "energia" às vezes é até arcaico ou simplesmente incorreto. E qualquer um dos métodos implica que tudo o que existe pode ser matéria ou energia - e não é assim. De fato, matéria e energia geralmente se enquadram em categorias diferentes - é como falar em uma frase sobre maçãs e orangotangos, ou sobre o céu e os vermes, ou sobre pássaros e bolas de praia.
Neste site, tentarei ser mais preciso, a fim de ajudar o leitor a evitar a confusão resultante dessa maneira de expressão.
Brevemente
Como o artigo é longo, espero que seja informativo e ilumine todos que gostam de se aprofundar nos detalhes. E aqui vou resumir tudo o que diz:
• Matéria e energia não pertencem à mesma classe de conceitos e não devem formar um par na mente de uma pessoa.
• Matéria é um termo ambíguo. Para ela, existem várias definições diferentes usadas na literatura científica e na não ficção. Cada definição cobre um subconjunto específico de partículas. Ou seja, a matéria é sempre algum tipo de substância, mas qual depende exatamente do contexto.
• Energia é um termo inequívoco (pelo menos em física). Mas energia não é uma substância. É isso que a substância tem.
• O termo "energia escura" é confuso porque não é apenas energia. Não é uma substância. Alguma substância pode ser parcialmente responsável por sua presença, mas os detalhes são desconhecidos para nós.
• Os fótons não precisam ser chamados de "energia" ou "energia pura". Todas as partículas são uma perturbação dos campos e têm energia. Os fótons não destacam nada de especial. Fótons são matéria, mas energia não é.
• Toda a substância do Universo consiste em campos (os componentes mais simples do Universo) e suas partículas. Este ponto de vista remonta a 1973.
O que é matéria (e energia)?
Primeiro, vamos definir os termos.
"Matéria" é um termo terrivelmente ambíguo. Para ele, não há definição universal que não dependa do contexto. Em vários lugares, pelo menos três definições são usadas. A matéria pode ser chamada:
1. Átomos, os blocos de construção básicos do que percebemos como "material" - uma mesa, ar, pedra, pele, suco de laranja - e as partículas que compõem os átomos, incluindo elétrons, bem como prótons e nêutrons que compõem o núcleo. átomo.
2. “Partículas materiais” elementares da natureza: elétrons, múons, tau, três tipos de neutrinos, seis tipos de quarks - todos os tipos de partículas que não transferem interações (ou seja, exceto fótons, glúons, gravitons, W e Z). Curiosamente, a partícula de Higgs não deseja se encaixar nessa divisão conveniente em partículas de matéria e partículas de interações, porque essa classificação é inicialmente um pouco artificial.
3. Classes de partículas que podem ser encontradas no Universo e que, em média, se movem mais lentamente que a luz.
Por qualquer uma dessas definições, os elétrons se referem à matéria (embora, de acordo com a terceira definição, eles não fossem importantes nos períodos iniciais da história do Universo, quando era muito mais quente). Pela segunda definição, os múons também são matéria, como os neutrinos, embora nenhum material comum os constitua. De acordo com a terceira definição, alguns neutrinos podem ou não ser matéria, e a matéria escura definitivamente será matéria, mesmo que se trate de um novo tipo de partículas que transferem interações. Lamento muito que essas definições sejam tão confusas, mas se você quiser saber o que "importa" significa em vários livros e artigos, precisará entender maneiras diferentes de usar esse termo.
Felizmente, "energia" (no sentido em que os físicos a utilizam) é um conceito muito bem definido com o qual todos os físicos concordam. Infelizmente, essa palavra tem tantos significados no idioma inglês [e russo] que é muito fácil ficar confuso, entendendo o que os físicos querem dizer. Descrevi brevemente várias formas de energia física em um
artigo sobre massa e energia . Por enquanto, basta dizer que a energia não é um objeto. O átomo é um objeto, a energia não é. A energia pode ser possuída por objetos e grupos de objetos - essa é uma propriedade dos objetos que descreve seu comportamento e seus relacionamentos entre si. Basta que saibamos que as partículas que se movem sozinhas pelo espaço podem ter dois tipos de energia: energia de massa (E = mc
2 , independente do movimento da partícula) e energia de movimento (essa energia é zero para uma partícula em repouso e se torna maior quanto mais rápido ele se move).
A aniquilação de partículas e antipartículas não é a conversão de matéria em energia
Considere uma representação como "matéria e antimatéria aniquilando em energia pura". Simplificando, isso não é verdade por várias razões.
Logo acima, dei três definições diferentes de matéria. Falando sobre a aniquilação de partículas e antipartículas, o falante pode ter em mente o primeiro ou o segundo deles. Quero discutir a aniquilação de um elétron e anti-elétron (ou pósitron), ou a aniquilação de um múon e antimuon. Os detalhes deste processo são descritos
em um artigo sobre a aniquilação de partículas e antipartículas .
O que se entende por "energia limpa"? Isso é descrito com mais frequência por fótons, e geralmente no contexto de um elétron e um pósitron (ou outra partícula e antipartícula maciça). Mas fazer isso é muito ruim. Energia é o que os fótons possuem, não o que são. Eu tenho peso e peso - mas isso não significa que tenho altura e peso.
O termo "energia limpa" é uma mistura de poesia, breve descrição e lixo. Como os fótons não têm massa, eles não têm energia de massa; portanto, sua energia é "energia puramente de movimento". Mas isso não é o mesmo que dizer: “Fóton é 'energia pura'”, que está na física estrita, que está na mente de um amador. Fótons são partículas, o mesmo que elétrons. Ambos são ondulações dos campos correspondentes e ambos têm energia. O elétron aniquilado e o pósitron também têm energia - a mesma quantidade de energia que os fótons aos quais eles serão aniquilados, uma vez que a energia é salva (a quantidade total de energia não muda durante a aniquilação).
Além disso, o processo de conversão de um múon e antimônio em dois fótons ocorre exatamente da mesma maneira e ocorre com quase a mesma probabilidade do processo de conversão de múon e antimônio em elétron e pósitron, ou seja, a aniquilação de matéria e antimatéria em outro tipo de matéria e antimatéria. Não importa que palavras sejam usadas para expressar, ainda é impossível dizer que matéria e antimatéria sempre se aniquilam em algo que pode até ser chamado de "energia"; existem outras possibilidades.
Portanto, não uso a expressão “matéria e energia” em meus artigos, falando sobre aniquilação. Eu apenas chamo o processo de seu nome:
partícula 1 + antipartícula 1 → partícula 2 + antipartícula 2
Com essa terminologia, fica claro por que o múon e o antimuon se aniquilam em dois fótons, ou em um elétron e pósitron, ou em neutrinos e antineutrinos da mesma maneira. Todos esses são processos de uma classe. Não há necessidade de criar uma classificação inexistente que confunda a universalidade do processo de aniquilação de partículas / antipartículas.
Em geral, matéria e energia não são tudo.
Por que as pessoas às vezes falam sobre "matéria e energia" como se tudo ao redor fosse matéria ou energia? Não sei em que contexto essa expressão foi inventada. A linguagem reflete uma história e frequentemente responde lentamente a novas informações. Parte do problema é que, de 1900 a 1980, houve grandes mudanças nos conceitos físicos relacionados ao mundo e no que ele consiste. Agora, esse processo quase parou. Ao longo da minha carreira, ele tem sido surpreendentemente estável.
Nossa visão atual do mundo físico foi moldada por uma ampla gama de experimentos e descobertas que ocorreram nas décadas de 50, 60 e 70. Mas as formas anteriores de pensar e raciocinar sobre a física de partículas não desapareceram até os anos 80 e 90, quando estudei e era um jovem cientista. E isso não é surpreendente - as pessoas que cresceram com idéias antigas demoram muito tempo para se reorganizar para novas, e algumas não se reorganizam. A nova visão leva tempo para tomar forma e lidar com todas as pequenas falhas.
Hoje, falando do mundo no contexto do ponto de vista moderno, em primeiro lugar, é necessário falar sobre "campos e suas partículas". Os campos são os principais componentes do mundo, de acordo com o paradigma dominante moderno. Os campos nos parecem mais fundamentais do que as partículas, uma vez que não há partícula elementar sem um campo, e um campo sem uma partícula acontece. Mas acontece que cada um dos campos conhecidos por nós tem uma partícula conhecida por nós.
O que “campos e partículas” têm em comum com “matéria e energia”? Não muito. Você poderia chamar alguns campos e partículas de "matéria", mas quais deles são matéria e quais não são, depende da sua definição de matéria. Mas todos os campos e partículas podem ter energia e não são energia.
Partículas de matéria e partículas de interações
Nos meus artigos, divido as partículas conhecidas em "partículas da matéria" e "partículas de interações". Eu não gosto disso, porque essa separação é artificial. Até agora funciona; partículas de interações e suas antipartículas estão associadas a quatro interações na natureza conhecidas hoje em dia, e partículas de matéria e suas antipartículas são o resto. Em muitos casos, essa separação é conveniente. Mas no Large Hadron Collider, podemos descobrir partículas que não se encaixam nessas categorias e, mesmo com a partícula de Higgs, existem certos problemas.
Há uma divisão completamente diferente que faz sentido: o que chamo de partículas da matéria são férmions e o que chamo de partículas de interações são bósons. Mas isso pode mudar após novas descobertas.
De fato, tudo se resume ao fato de que todas as partículas da natureza são apenas partículas, algumas das quais servem como antipartículas uma para a outra, e não há uma maneira única de dividi-las em classes. Uso as palavras "matéria" e "interação" porque não soa tão abstrato quanto "férmions" e "bósons" - mas é possível que eu me arrependa, porque podemos detectar partículas que violam essa separação.
Matéria e energia no universo
Outro lugar onde encontramos essas palavras é a história e as propriedades do cosmos como um todo. Lemos sobre matéria, radiação, matéria escura e energia escura. O uso dessas palavras pelos cosmólogos é diferente do esperado - e, de fato, eles têm dois ou três significados diferentes, dependendo do contexto.
Matéria e antimatéria: as pessoas falando sobre elas significam a primeira definição das três. Eles geralmente falam sobre a prevalência da matéria sobre a antimatéria no Universo - que há muito mais partículas que compõem a matéria comum (elétrons, prótons e nêutrons) do que suas antipartículas.
Matéria e radiação: essa separação implica uma terceira definição da lista. O universo tem uma temperatura. No início, estava muito quente e depois esfriou gradualmente, e agora está 2,7 graus acima do zero absoluto. Se você possui um gás (ou plasma) de partículas em uma determinada temperatura T e mede as energias dessas partículas, verá que a energia média das partículas é kT, onde k é a famosa constante de Boltzmann. Nesse sentido, matéria é qualquer partícula cuja energia mássica mc
2 seja maior que a energia média de movimento kT. Para essas partículas, a velocidade será muito menor que a velocidade da luz. Radiação é qualquer partícula cuja energia de massa é pequena comparada a kT e, portanto, se move a uma velocidade próxima à luz.
Acontece que, nesse contexto, o que é e o que não é matéria depende da temperatura e, portanto, do tempo! No Universo primitivo, em que as temperaturas eram trilhões de graus ou mais, o elétron era o que os cosmólogos considerariam radiação. Hoje, em um universo frio, um elétron cai na categoria de matéria. No universo moderno, de acordo com essa definição, pelo menos dois dos três tipos de neutrinos são matéria, ou talvez os três. Mas no início do Universo, todos os três neutrinos eram radiação. Os fótons sempre foram e serão radiação, uma vez que não têm massa.
O que é matéria escura? Com base no estudo dos movimentos das estrelas e outras técnicas, podemos dizer que a maior parte da massa de galáxias está em algo que não brilha, e muito foi gasto em evidências de que as partículas que sabemos que se comportam da maneira usual não são responsáveis forças. Muitas teorias foram propostas para explicar esse efeito, e muitas foram refutadas (geralmente observando a aparência e o comportamento das galáxias). Das teorias restantes, uma das principais diz que a matéria escura consiste em partículas pesadas de um tipo desconhecido. Mas não sabemos mais nada sobre eles. As experiências podem nos fornecer novas informações, embora isso não seja garantido. Observo: pode ser que não haja sentido em falar sobre antipartículas escuras, já que partículas de matéria escura, como fótons ou partículas Z, podem vir a ser suas próprias antipartículas.
E a energia escura? Recentemente, foi descoberto que o Universo está se expandindo com aceleração, e não com desaceleração, como nos primeiros anos. Presumivelmente, o que é chamado de "energia escura" é responsável por isso, mas, na realidade, não é energia. Como meu colega Sean Carroll gosta de dizer, isso é tensão, não energia - uma combinação de pressão e densidade de energia. Por que isso se chama energia? Em parte devido a relações públicas. Energia escura parece legal. A tensão escura soa estranha, como qualquer outra palavra mais ou menos adequada. De certa forma, isso é uma coisa inofensiva. Os cientistas sabem o que está em jogo, e a terminologia não causa problemas no lado técnico. A maioria do público não se importa com o que está falando, então podemos dizer que também não há problemas no lado não técnico. Mas se você realmente quer descobrir, é importante entender que a energia escura não é uma forma escura de energia, mas algo mais sutil. Além disso, como a energia, a energia escura não é um objeto e nem um conjunto de objetos, mas uma propriedade que os campos ou combinações de campos do espaço-tempo podem possuir. Ainda não sabemos o que é responsável pela energia escura, cuja existência julgamos pelo Universo em aceleração. E antes que percebamos isso, muito tempo pode passar.
A propósito, você sabia o que os astrônomos querem dizer com “metais”?
Não é o que você pensa ...Depois de ler o artigo, você pode ter a impressão de que os físicos modernos não são particularmente inventivos, criativos ou claros com a linguagem. Obviamente, este não é o nosso forte. Big bang? Buraco negro? Poetas de todo o mundo nunca nos perdoarão por escolher nomes tão estúpidos para fenômenos tão fantásticos ...