Materija (fizika)

Straipsnis iš Vikipedijos, laisvosios enciklopedijos.
Jump to navigation Jump to search
 Crystal Clear action spellcheck.png  Šį straipsnį ar jo skyrių reikėtų peržiūrėti.
Būtina ištaisyti gramatines klaidas, patikrinti rašybą, skyrybą, stilių ir pan.
Ištaisę pastebėtas klaidas, ištrinkite šį pranešimą.
Materija kieto kūno formoje (kvarcas).
Materija skysto kūno formoje (vanduo).
Materija dujinio pavidalo formoje (azoto dioksidas).

Materija (lot. materia 'medžiaga, daiktybė') – medžiaga ar medžiagos, iš kurių susidaro visi fiziniai kūnai.

Klasikinėje fizikoje ir chemijoje materija yra mišinys kuris turi masę, bei tūrį. Materija egzistuoja įvairiose formose. Pagrindinės iš jų: kieta, skyta, dujinė forma (plazma yra žinoma, kaip ketvirtoji forma). Pavyzdžiui, vanduo egzistuoja visose formose: kietas kūnas – ledas; skystas kūnas – vanduo; dujinis kūnas – vandens garai. [1]

Palyginimas su mase[redaguoti | redaguoti vikitekstą]

Materija neturėtų būti painiojama su mase, kadangi moderniojoje fizikoje tai nėra vienas ir tas pats. Materija yra naudojama kaip sąvoka apibūdinti bet kokią fizikinę medžiagą, o masė – tai skaitinis matavimo vienetas, apibūdinti materijos ar kitų medžiagų, sistemų kiekį. [2]

Nors egzistuoja skirtingos nuomonės apie tai, kas turėtų būti laikoma materija, masė (jos sandara) turi identišką, mokslinį apibūdinimą.[3] Skirtumas tas, kad materija turi „priešingybę“, vadinama antimaterija, tačiau masė nieko panašaus neturi kaip „antimasė“ ar „negatyvi masė“, nors mokslininkai ir diskutuoja apie šią koncepciją.

Skirtingos moklo šakos naudoja sąvoką materija skirtingai ir kartais nesuderinamais būdais. Kai kurie iš tų būdų yra pagrįsti istorinėmis prasmėmis, iš tų laikų, kai nebuvo prasmės atskirti masės kiekio, nuo materijos. Vis dėlto, nėra nei vienos mokslinės reikšmės apie materiją, kuri būtų pripažinta visuotinai. Moksliškai žiūrint, sąvoka „masė“ yra aiškiai apibrėžta, tačiau „materija“ kaip sąvoka turi keletą apibrėžimų. Fizikoje kartais materija yra papraščiausiai lyginama su dalelėmis, turinčiomis ramybės masę (t. y. negalinčiomis judėti šviesos greičiu, pvz.: kvarkai ir leptonai). Vis dėlto, ir fizikoje, ir chemijoje materija pasižymi ir bangos, ir dalelės savybėmis (taip vadinamu bangos-dalelės suderinamumu). [4][5][6]

Materijos tipai[redaguoti | redaguoti vikitekstą]

Įprastoji materija sudaro apie 4% energijos stebimoje visatoje. Likusi materija susidaro iš egzotinių formų: tamsioji materija [7][8] – 23% ir 73% – tamsioji energija.[9][10]

Tamsioji materija

Astrofizikoje ir kosmologijoje tamsioji materija yra nežinomos sudėties, kadangi per mažai skleidžia ar atsipindi elektromagnetines bangas, kad būtų galima stebėti tiesiogiai. Tačiau kurios buvimą galima nustatyti nuo gravitacinio poveikio matomai materijai.[11][12] Stebėjimo įrodymai iš ankstyvosios visatos bei didžiojo sprogimo reikalauja, kad ši materija turėtų energiją ir masę, tačiau nebūtų sudaryta iš įprastų barionų (protonų ir neutronų). Visuotinai priimtinas požiūris apie juodąją materija teigia, kad ji yra sudaryta iš dalelių, tačiau nepastebima labaratorijoje. Manoma, kad sandaros dalelės yra supersimetriškos [13] ir, skirtingai nuo įprastų, susiformavo milžiniškoje energijoje ankstyvoje visatos fazėje bei vis dar yra aplink mus. [11]

Tamsioji energija

Kosmologijoje tamsioji energija yra vadinama įtakos šaltiniu, kuris spartiną visatos plėtimosi greitį. Jos tikslus atsiradimas kol kas yra visiška paslaptis, tačiau jos poveikis yra pagrįstai apibūdinamas priskiriant vakuumui panašias savyves, kaip energijos tankis ir slėgis.[14][15]

Fazės[redaguoti | redaguoti vikitekstą]

Pagrindinis straipsnis – Fazė.
Fazės diagrama medžiagai, tolygiam tūriui. X ašis nurodo temperatūros pokytį, o Y axis – slėgio. Žalioji linija nurodo užšalimo temperatūrą (virš žaliosios linijos – kietas kūnas, po ja – skystas), mėlynoji linija nurodo virimo temperatūrą (virš jos – skystas kūnas, po ja – dujinis). Trigubame taške yra trys fazės: skystas, kietas, dujinis kūnai, kurie gali egzistuoti kartu. Virš kritinio taško skirtumų tarp fazių nebelieka ir jų nebegalima atskirti. Punktyru pažymėta linija rodo nenormalų vandens elgesį: esant pastoviai temperatūrai ir ledui tirpstant, slėgis kyla.[16]

Trumpai tariant, materija gali egzistuoti skirtingomis formomis arba skirtingose agregatinėse būsenose, žinomomis kaip fazės[17] , priklausomai nuo aplinkos slėgio, temperatūros ir tūrio.[18] Fazė, tai materijos forma, turinti vienodas chemines struktūras ir fizines savybes (pvz.: tankis, šiluma, lūžio rodiklis ir t. t.). Šios fazės susideda iš trijų pagrindinių (kieta, skysta ir dujinė fazė), taip pat ir egzotinių fazių (tokių kaip: plazmos, superskysčio, superkietosios medžiagos, Bozė-Einšteino kondensato…). Keičiantis sąlygomis, materija gali kisti iš vienos fazės į kitą. Šis fenomenas yra vadinamas fazės pokyčiu (išsamiau – termodinamika). Skirtingai nuo įprastos medžiagos, nanodalelėse stipriai padidėjęs paviršiaus ploto ir tūrio santykis lemia visiškai skirtingus rezultatus. Šie rezultatai negali būti apibūdinti naudojant įprastos medžiagos fazės kitimus (išsamiau – nanodalelės).

Fazės yra kartais vadinamos materijos būsenomis (angl. states of matter), tačiau šis terminas gali sukelti sumaištį tarp termodinaminių sistemų. Pavyzdžiui, du vandens kūnai, kuriuos slegia skirtingi slėgiai bus skirtingose termodinaminėse sistemose (skirtingų slėgių), tačiau toje pačioje fazėje (skysto kūno fazė).

Antimaterija[redaguoti | redaguoti vikitekstą]

Pagrindinis straipsnis – antimaterija.

Antimaterija yra materija sudaryta iš antidalelių, kurios sudaro įprastą materiją. Jei dalelė ir antidalelė susiduria, jos anihiliuoja, kadangi jos pasiverčia priešinga dalele su vienoda energija (pagal – Alberto Einšteino realiatyvumo teoriją – E=mc²). Šios naujos dalelės gali turėti aukštos energijos fotonus (gama spindulius) arba kitos dalelės – antidalelės poras. Atsiradusioms dalelėms suteiktas energijos kiekis yra lygus skirtumui tarp sunaikinamos produktų masės ir pradinės dalelių – antidalelių poros masės (kuri dažnai yra gana didelė). Žinoma, atsižvelgus į naudojamą „materijos“ apibrėžimą, antimaterija gali būti nusakoma kaip materijos poklasis arba priešingybė.

Natūraliai antimaterija nėra randama žemėje, išskyrus jos greit nykstančius pėdsakus nedideliuose kiekiuose (dėl radioaktyvaus švytėjimo, kosminių spindulių, …). Taip yra todėl, nes „atsiradusi“ antimaterija žemėje už labaratorijos ribų beveik iš karto pradėtų sąveiktauti su įprasta materija, esančia žemėje, ir būtų anihiliuojama. Antidalelės ir kitos stabilios antimaterijos (tokios kaip antivandenilis) gali būti sukurtos mažais kiekiais – tiek, kad būtų galima atlikti keletą ekspermentų patvirtinti teorines savybes.

2017 m. spalį mokslininkai pranešė tolimesnius įrodymus, kad jei tiek materija ir antimaterija, sukurta per Didiįį sprogimą, būtų įdentiško dydžio, tai jos turėtų pilnai viena su kita anihiliuoti, ko pasekoje visata neturėtų egzistuoti. [19][20]

Išvada tokia, kad visatoje turi būti kažkas mokslininkams dar nežinoma, kas: arba sustabdė visos visatos susinaikinimą tarp materijos ir antimaterijos visatos formavimosi laike, arba „tai“ suteikė pusiausvyrą tarp abiejų formų.

Apibendrinimas[redaguoti | redaguoti vikitekstą]

Iki šiol istorijoje materijos samprata buvo daug kartų patobulinta, atsižvelgiant į tai, kad žinios apie pagrindinius elementus ir jų sąveiką pastoviai augo, tai nėra keista. Sąvoka „materija“ fizikoje yra naudojama įvairiausiems kontekstams, pavyzdžiui: tai gali būti apibūdinta kaip „kondensuotų medžiagų fizika“ (angl. condensed matter physics),[21] „elementarioji materija“,[22]partoniška“ materija, „tamsioji“ materija, „anti“ materija, „keistoji“ materija ir „branduolinė“ materija. Galima sakyti, kad fizikoje nėra bendro sutarimo dėl materijos apibrėžimo, o terminas „materija“ dažniausiai vartojamas kartu su nurodomuoju (specifiniu) modifikatoriumi.

Didžioji dalis materijos sampratos istorijos atkeliauja iš ilgio skalių, naudojamų materijai apibrėžti, istorijos. Skirtinga struktūra taikoma atsižvelgiant į tai, ar medžiaga apibėžiama atominio, ar elementaraus dalelių lygiu. Priklausomai nuo apibrėžimo mastelio galima sakyti, kad materija yra: arba atomai, arba hadronai, arba leptonai ir kvarkai.[23]

Kvarkai ir leptonai sąveikauja per keturias pagrindines jėgas: gravitaciją, elektromagnetizmą bei silpnus ir stiprius susidurimus. O fizikos dalelių standartinis modelis kol kas yra geriausias paaiškinimas visų esamų fizikos reiškinių. Vis dėlto, nepaisant dešimtmečių pastangų, gravitacijos vis dar negalime tirti kvantininiu lygmeniu (ji yra apibūdinama tik klasikinėje fizikoje).[24]

Nuorodos[redaguoti | redaguoti vikitekstą]

  1. R. Penrose (1991). „The mass of the classical vacuum“. In S. Saunders; H.R. Brown (eds.). The Philosophy of Vacuum. Oxford University Press. pp. 21–26. ISBN 978-0-19-824449-3.
  2. Mongillo (2007). Nanotechnology 101. Greenwood Publishing. p. 30.
  3. https://www.dictionary.com/browse/mass
  4. P.C.W. Davies (1979). The Forces of Nature. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-22523-6. “matter field.”
  5. S. Weinberg (1998). The Quantum Theory of Fields. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-55002-4.
  6. M. Masujima (2008). Path Integral Quantization and Stochastic Quantization. Springer. ISBN 978-3-540-87850-6.
  7. K. Pretzl (2004). “Dark Matter, Massive Neutrinos and Susy Particles”, Structure and Dynamics of Elementary Matter. Walter Greiner. ISBN 978-1-4020-2446-7.
  8. K. Freeman (2006). “What can the matter be?”, In Search of Dark Matter. Birkhäuser Verlag. ISBN 978-0-387-27616-8.
  9. J.C. Wheeler (2007). Cosmic Catastrophes: Exploding Stars, Black Holes, and Mapping the Universe. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-85714-7.
  10. J. Gribbin (2007). The Origins of the Future: Ten Questions for the Next Ten Years. Yale University Press. ISBN 978-0-300-12596-2.
  11. 11,0 11,1 D. Majumdar (2007). Dark matter – possible candidates and direct detection.
  12. K.A. Olive (2003). „Theoretical Advanced Study Institute lectures on dark matter“. arXiv:astro-ph/0301505. 
  13. K.A. Olive (2009). „Colliders and Cosmology“. European Physical Journal C 59 (2): 269–295. Bibcode:2009EPJC...59..269O. arXiv:0806.1208. doi:10.1140/epjc/s10052-008-0738-8. 
  14. J.C. Wheeler (2007). Cosmic Catastrophes. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-85714-7.
  15. L. Smolin (2007). The Trouble with Physics. Mariner Books. ISBN 978-0-618-91868-3.
  16. S.R. Logan (1998). Physical Chemistry for the Biomedical Sciences. CRC Press, 110–111. ISBN 978-0-7484-0710-1.
  17. P.J. Collings (2002). “Chapter 1: States of Matter”, Liquid Crystals: Nature's Delicate Phase of Matter. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-08672-9.
  18. D.H. Trevena (1975). “Chapter 1.2: Changes of phase”, The Liquid Phase. Taylor & Francis. ISBN 978-0-85109-031-3.
  19. Adamson, Allan (19 October 2017). „Universe Should Not Actually Exist: Big Bang Produced Equal Amounts of Matter And Antimatter“. TechTimes.com. Nuoroda tikrinta 26 October 2017. 
  20. Smorra C.; et al. (20 October 2017). „A parts-per-billion measurement of the antiproton magnetic moment“. Nature 550 (7676): 371–374. Bibcode:2017Natur.550..371S. PMID 29052625. doi:10.1038/nature24048. 
  21. P.M. Chaikin (2000). Principles of Condensed Matter Physics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-79450-3.
  22. W. Greiner (2003). Structure and Dynamics of Elementary Matter. Springer. ISBN 978-1-4020-2445-0.
  23. B. Povh (2004). “Fundamental constituents of matter”, Particles and Nuclei: An Introduction to the Physical Concepts, 4th, Springer. ISBN 978-3-540-20168-7.
  24. B. Povh (2004). “Part I: Analysis: The building blocks of matter”, Particles and Nuclei: An Introduction to the Physical Concepts, 4th, Springer. ISBN 978-3-540-20168-7. “Ordinary matter is composed entirely of first-generation particles, namely the u and d quarks, plus the electron and its neutrino.”