通常，在阅读有关宇宙或粒子物理学的文章时，您可能会遇到提到“物质和能量”的短语，就好像它们是两个相反的东西，两个伙伴，同一枚硬币的两个面或构成其余部分的两个类一样。 这在许多情况下都会弹出。 有时，您可以看到大爆炸在诗意上被描述为宇宙所有“物质和能量”出现的时刻。 可以读到“物质和反物质消灭了纯净的能量”。 当然，让我们回顾一下天文学的两个最大奥秘-“暗物质”和“暗能量”。
作为有关科学主题的科学家和专家，我对这样的术语感到恼火，不是因为它是完全错误的，而是因为这样的对话会误导那些不参与科学的人们。 对于物理学家来说，意义不大。 这些诗意的词义与数学和实验中明确定义的词有关，模棱两可的定义只是简单地表达长而精确的短语。 但是对于那些不是专家的人来说，这是非常令人困惑的，因为每种情况都使用其自己的物质定义，并且“能量”一词的含义有时甚至是过时的或根本不正确的。 而且任何一种方法都意味着存在的一切都可以是物质或能量，而事实并非如此。 实际上，物质和能量通常分为不同的类别-就像用一句话谈论苹果和猩猩，谈论天堂和蠕虫，谈论鸟类和沙滩球一样。
在这个站点上，我将尝试更加精确，以帮助读者避免这种表达方式引起的混乱。
简要地
由于这篇文章很长，我希望它能为您提供更多信息，并启发每个喜欢研究细节的人。 在这里，我将总结它所说的一切：
•物质和能量不属于同一类概念，在人的头脑中不应成对。
•问题是一个模糊的术语。 对她而言，科学文献和非小说中都有几种不同的定义。 每个定义都涵盖特定的粒子子集。 就是说，物质总是某种物质，但是到底是什么取决于环境。
•能源是一个明确的术语（至少在物理学中是这样）。 但是能量不是物质。 这就是物质所具有的。
•“暗能量”一词令人困惑，因为它不仅是能量。 它不是物质。 某些物质可能对其存在负有部分责任，但我们不知道细节。
•光子不需要称为“能量”或“纯能量”。 所有粒子都是对场的干扰，并且它们具有能量。 光子并不突出任何特殊之处。 光子是物质，但能量不是物质。
•宇宙的所有物质都由场（宇宙的最简单的组成部分）及其粒子组成。 这种观点可以追溯到1973年。
什么是物质（和能量）？
首先，让我们定义术语。
“问题”是一个非常模棱两可的术语。 对他而言，没有不依赖于上下文的普遍定义。 在各个地方，至少使用三个定义。 可以称为：
1.原子，我们认为是“物质”的基本组成部分-桌子，空气，石头，皮肤，橙汁-以及构成原子本身的那些粒子，包括电子以及构成原子核的质子和中子原子
2.自然界的基本“物质粒子”：电子，介子，tau，三种中微子，六种夸克-所有不传递相互作用的粒子（即光子，胶子，引力子，W和Z除外）。 有趣的是，希格斯粒子不想适合这种方便地划分为物质粒子和相互作用粒子的方法，因为这种分类最初有点人为。
3.在宇宙中可以找到的粒子类别，它们的平均移动速度比光慢。
根据这些定义中的任何一个，电子都将指物质（尽管根据第三个定义，在宇宙历史的早期，当它变得更热时，它们并不重要）。 根据第二个定义，介子也像中微子一样重要，尽管没有普通的材料组成。 根据第三个定义，即使事实证明中微子由转移相互作用的新型粒子组成，某些中微子也可能是物质，也可能不是物质，暗物质也将是物质。 非常抱歉，这些定义如此混乱，但是，如果您想了解“问题”在各种书籍和文章中的含义，则需要了解使用此术语的不同方式。
幸运的是（在物理学家使用能量的意义上）“能量”是一个非常明确的概念，所有物理学家都同意。 不幸的是，这个词在英语（和俄语）中含义如此之多，以至于很容易混淆，理解物理学家的意思。 我在
一篇有关质量和能量的
文章中简要描述了各种形式的物理
能量 。 现在，只要说能量不是物体就足够了。 原子是一个物体，能量不是。 物体和物体组可以拥有能量-这是物体的属性，描述了物体的行为及其相互之间的关系。 我们足以知道，单独在空间中移动的粒子可以具有两种能量：质量能（E = mc
2 ，与粒子运动无关）和运动能（对于静止的粒子，该能量为零，并且变得更大）它移动得越快）。
粒子和反粒子的an灭不是物质转化为能量
考虑这样的表示形式：“物质和反物质an灭为纯能量”。 简而言之，由于多种原因，这是不正确的。
在上面，我为您提供了三种不同的物质定义。 在谈到粒子和反粒子的an灭时，说话者可能会想到它们的第一个或第二个。 我想讨论电子和反电子（或正电子）的the灭，或μ子和反μ子的the灭。
关于粒子和反粒子的an灭的文章中描述了此过程的详细信息。
什么是“清洁能源”？ 这通常由光子描述，通常是在电子和正电子（或其他块状粒子和反粒子）的情况下。 但是这样做非常不好。 能量是光子所拥有的，而不是它们所拥有的。 我有体重和体重-但这并不意味着我有体重和体重。
术语“清洁能源”是诗歌，简短描述和垃圾的混合体。 由于光子不具有质量，因此它们不具有质量能，因此它们的能量是“纯运动能”。 但这与说“光子是'纯能量'”不同，这在严格的物理学中是业余爱好者的想法。 光子是粒子，与电子相同。 它们都是对应场的波纹，并且都具有能量。 被an灭的电子和正电子也具有能量-与能量将被an灭的光子数量相同，因为这样可以节省能量（an灭期间总能量不变）。
此外，将介子和反介子转变为两个光子的过程与将介子和反介子转变为电子和正电子的过程以完全相同的方式发生，并且发生的可能性几乎相同，即将物质和反物质的an灭变成另一种物质和反物质。 用什么词来表达都没有关系，仍然不可能说物质和反物质总是消灭成某种东西，甚至可以粗略地称为“能量”。 还有其他可能性。
因此，我在谈论an灭的文章中没有使用“物质和能量”这一表达。 我只是称这个过程为他的名字：
粒子1 +反粒子1→粒子2 +反粒子2
用这种术语，很清楚为什么介子和反介子以相同的方式an灭成两个光子，或者变成电子和正电子，或者变成中微子和反中微子。 这些都是一类的过程。 无需创建一个不存在的分类，从而混淆了粒子/反粒子an灭过程的普遍性。
总的来说，物质和能量并不是一切。
为什么人们有时会谈论“物质和能量”，好像周围的一切都是物质还是能量？ 我不知道这种表达是在什么情况下发明的。 语言反映了一个故事，通常会慢慢响应新信息。 问题的部分原因是，从1900年到1980年，与世界及其构成相关的物理概念发生了巨大变化。 现在，此过程几乎已停止。 在我的整个职业生涯中，他一直都非常稳定。
1950年代，60年代和70年代发生的各种各样的实验和发现塑造了我们当前对物理世界的看法。 但是以前关于粒子物理学的思考和推理方式直到1980年代和90年代才消失，那时我是一名年轻的科学家。 这并不奇怪-那些怀着旧观念长大的人需要花费大量时间将其重组为新观念，而有些人则没有进行重组。 新的愿景需要时间来形成并解决所有较小的缺陷。
今天，在现代观点的背景下谈论世界，首先，有必要谈论“领域及其粒子”。 根据现代主导范式，田野是世界的主要组成部分。 在我们看来，场比粒子更基本，因为没有基本的粒子没有场，并且没有粒子的场就会发生。 但是事实证明，我们知道的每个领域都有一个我们知道的粒子。
“场和粒子”与“物质和能量”有什么共同点？ 不多 您可以将某些字段和粒子称为“问题”，但是其中哪些是物质，哪些不是物质，取决于您对物质的定义。 但是所有的场和粒子都可以具有能量，而并非能量。
物质粒子和相互作用粒子
在我的文章中，我将已知的粒子分为“物质粒子”和“相互作用粒子”。 我不喜欢这样，因为这种分离是人为的。 到目前为止，它仍然有效； 相互作用的粒子及其反粒子与当今我们所知的自然界中的四种相互作用相关，其余的仅是物质粒子及其反粒子。 在许多情况下，这样的分离很方便。 但是在大型强子对撞机上，我们会发现不适合这些类别的粒子，即使使用希格斯粒子，也存在某些问题。
有一种完全不同的划分是有道理的：我所谓的物质粒子是费米子，而我所谓的相互作用粒子是玻色子。 但是在新发现之后，情况可能会改变。
实际上，这全都归结为以下事实：自然界中的所有粒子都是粒子，其中一些粒子彼此充当反粒子，并且没有独特的方法将它们划分为类。 我使用“物质”和“相互作用”这两个词，是因为它听起来不像“费米子”和“玻色子”那么抽象-但我可能会后悔，因为我们可以检测到违反这种分离的粒子。
宇宙中的物质与能量
我们遇到这些词的另一个地方是整个宇宙的历史和性质。 我们读到有关物质，辐射，暗物质和暗能量的信息。 宇宙学家对这些词语的使用与预期的有所不同-实际上，根据上下文，它们具有两种或三种不同的含义。
物质与反物质：谈论它们的人是这三个的第一个定义。 他们通常谈论宇宙中物质超过反物质的普遍性-组成普通物质（电子，质子和中子）的粒子比反粒子更多。
物质和辐射：这种分离意味着清单中的第三个定义。 宇宙有温度。 起初它非常热，然后逐渐冷却，现在它比绝对零高2.7度。 如果在给定的温度T下有一种粒子的气体（或等离子体），并且测量了这些粒子的能量，您会发现平均粒子能量为k T，其中k是著名的玻尔兹曼常数。 从这个意义上说，物质是质量能mc
2大于平均运动能kT的任何粒子。 对于此类粒子，速度将远低于光速。 辐射是质量能比kT小的任何粒子，因此它以接近光的速度运动。
事实证明，在这种情况下，重要和不重要取决于温度，因此取决于时间！ 在温度为数万亿度甚至更高的早期宇宙中，电子是宇宙学家认为的辐射。 今天，在寒冷的宇宙中，电子属于物质范畴。 在现代宇宙中，根据这个定义，三种中微子中的至少两种是物质，或者可能全部是三种。 但是在早期的宇宙中，所有三个中微子都是辐射。 由于光子是无质量的，因此一直且将一直是辐射的。
什么是暗物质？ 根据对恒星运动和其他技术的研究，我们可以说大多数星系都是不发光的东西，并且已经花费了大量的证据来证明我们知道以通常方式运行的粒子是不负责任的部队。 已经提出了许多理论来解释这种效应，并且已经驳斥了许多理论（通常通过观察星系的出现和行为）。 在其余的理论中，其中一个领先的理论认为，暗物质由未知类型的重粒子组成。 但是我们对它们一无所知。 实验可以为我们提供新的信息，尽管不能保证。 我注意到：事实证明，谈论黑暗的反粒子毫无意义，因为像光子或Z粒子这样的暗物质粒子可以证明是它们自己的反粒子。
暗能量呢？ 最近发现，宇宙正像早期那样以加速而不是以减速来扩展。 据推测，造成这种情况的原因是所谓的“暗能量”，但实际上不是能量。 正如我的同事肖恩·卡洛尔（Sean Carroll）所说，这是张力，而不是能量，是压力和能量密度的结合。 为什么叫能源？ 部分是由于公共关系。 暗能量听起来很酷。 黑暗的张力听起来很奇怪，就像其他或多或少合适的词一样。 在某种程度上，这是无害的。 科学家知道有什么危险，并且该术语不会在技术方面引起问题。 大多数公众都不在乎他们在说什么，因此我们可以说，非技术方面也没有问题。 但是，如果您真的想弄清楚，重要的是要了解暗能量不是暗能量，而是更微妙的东西。 而且，像能量一样，暗能量不是对象，也不是一组对象，而是时空的场或场的组合可以拥有的属性。 我们尚不知道是什么导致了暗能量，而暗能量的存在由加速的宇宙来判断。 在我们不知道这一点之前，可能会花费很多时间。
顺便问一下，您知道天文学家所说的“金属”是什么意思吗？
不是你的想法...阅读文章后，您可能会觉得现代物理学家不是特别具有创造力，创造力或对语言的了解。 显然，这不是我们的专长。 大爆炸？ 黑洞？ 世界各地的诗人永远不会原谅我们为如此奇妙的现象选择如此愚蠢的名字...