Что есть материя. Что такое материя в науке? Что же это такое

Что такое материя в науке?

У термина «материя» нет универсального определения, которое бы признавали все учёные. Обычно так обобщённо называют всё, чем заполнен окружающий нас реальный мир – на Земле, в космосе, в нас самих и в обществе.

Материя существует объективно, то есть, независимо от нас и нашего сознания, но органы чувств и разум позволяют людям воспринимать и познавать материю.

Есть ли вообще в мире что-то, кроме материи?

Конечно, есть! Помимо материальных, в мире великое множество других объектов – психических и духовных. Это наши мысли, эмоции, память, сны, желания и другое.

Правда, мудрецы и учёные вот уж не одно тысячелетие спорят, может ли всё это возникать и существовать без материи.

Какое главное свойство материи?

Это постоянные изменения. Материальные объекты всё время перемещаются в пространстве и меняются со временем.

Даже если человек спит, в его в теле двигаются органы, жидкости, одни вещества превращаются в другие. Постоянные изменения происходят в любых сообществах – от маленьких семей до целых народов. В неживых предметах движутся молекулы и атомы.

Небесные тела изменяют своё местоположение, химический состав и могут вообще исчезнуть, превратиться в нечто другое. Меняют очертания огромные горы, внутри них перемещаются вещества.

Символ стабильности – земная твердь – и та беспокойно ворочается на океане жидкой магмы, который её поддерживает. Европа отплывает от Северной Америки со скоростью 2 сантиметра в год. Да и сама наша планета, как известно, вращается, меняется на поверхности и изнутри.

Откуда взялась материя?

Большинство учёных придерживаются теории Большого взрыва. Согласно этой модели 13–14 миллиардов лет назад вся Вселенная была сосредоточена в крошечном объёме и имела непредставимо огромную плотность и высокую температуру. Эта точка взорвалась – стала резко расширяться (неизвестно, почему).

Образовались элементарные частицы, из них атомы, из атомов – звёзды, планеты и вообще всё то, что образует Вселенную. Существовала ли материя до Большого взрыва – неведомо.

Есть ли в мире свободные от материи места?

Какие-то части пространства кажутся нам «пустыми», но на самом деле они всегда заняты той или иной формой материи. Есть два её вида – вещество и поле. Вещество состоит из частиц и может быть в твёрдом, жидком, газообразном или плазменном состоянии.

Между скоплениями вещества есть пустоты, но они всегда всплошную заполнены полями – электромагнитным или гравитационным.

Что такое антиматерия?

Так называют вещество из античастиц – они имеют такую же массу, как обычные, но заряды и прочие характеристики у них прямо противоположны обычным. Практически у каждой «нормальной» элементарной частицы открыт такой «двойник». Но вещество, состоящее из «двойников», пока не удалось найти ни на Земле, ни в космосе. Возможно, вся наша Вселенная состоит из обычной материи.

Антиматерию физикам удаётся получить искусственно – в микроскопических количествах и ненадолго (она распадалается). Кстати, это самое дорогое вещество на земле: 1 грамм антиводорода стоил бы свыше 60 000 000 000 000 (60 триллионов) долларов.

Сейчас немало пишут о тёмной материи? Что известно о ней?

Почти ничего. Более того: нет никакой уверенности, что она существует. Просто у астрономов появились нестыковки в расчётах. Так, в 1930-х годах измерили скорость движения одного скопления галактик, и она оказалась гораздо больше, чем ожидалось из оценки её массы.

Последующие данные тоже показывали, что с расчётами массы Вселенной что-то не так. Пришлось предположить, что существует «нечто», составляющее бóльшую часть массы Вселенной. Это «нечто» не видно глазом, прозрачно для электромагнитных волн и вообще никакими способами не обнаруживается. Невидимку назвали тёмной материей, её проявления усиленно ищут, но пока безрезультатно.

Просто о сложном: что такое темная материя и где ее искать

Теории и практики

Теоретическая конструкция в физике, называемая Стандартной моделью, описывает взаимодействия всех известных науке элементарных частиц. Но это всего 5% существующего во Вселенной вещества, остальные же 95% имеют совершенно неизвестную природу. Что представляет из себя эта гипотетическая темная материя и как ученые пытаются ее обнаружить? Об этом в рамках спецпроекта «Физтех. Читалка» рассказывает Айк Акопян, студент МФТИ и сотрудник кафедры физики и астрофизики.

Стандартная модель элементарных частиц, окончательно подтвержденная после обнаружения бозона Хиггса, описывает фундаментальные взаимодействия (электрослабое и сильное) известных нам обычных частиц: лептонов, кварков и переносчиков взаимодействия (бозонов и глюонов). Однако оказывается, что вся эта огромная сложная теория описывает лишь около 5–6% всей материи, тогда как остальная часть в эту модель никак не вписывается. Наблюдения самых ранних моментов жизни нашей Вселенной показывают нам, что примерно 95% материи, которая окружает нас, имеет совершенно неизвестную природу. Иными словами, мы косвенно видим присутствие этой скрытой материи из-за ее гравитационного влияния, однако напрямую поймать ее пока не удавалось. Это явление скрытой массы получило кодовое название «темная материя».

Современная наука, особенно космология, работает по дедуктивному методу Шерлока Холмса

Эксперимент LUX, в ходе которого ученые пытались с помощью бассейна, заполненного 400 кг жидкого ксенона, поймать частички темной материи — WIMPs, слабо взаимодействующие массивные частицы, — ни к чему не привел. Сейчас к запуску готовится новый эксперимент — DARWIN, в котором планируется использовать 25-тонную массу ксенона для детектирования WIMP (см. рис. 1). С другой стороны, эксперимент ADMX, направленный на обнаружение других (во много раз более легких по массе) кандидатов на роль темной материи, гипотетических аксионов, тоже пока не дал никаких результатов.

Установки экспериментов LUX (слева) и ADMX (справа)

В результате такого молчания детекторов возникает совершенно естественный вопрос: почему мы ищем именно эти частицы, почему не что-то другое? Почему эта масса не может скрываться в других известных нам частицах или объектах? Не может ли быть так, что мы вообще идем на поводу у кодового названия, то есть не может ли быть так, что никакой темной материи и вовсе нет, просто теория гравитации дает сбой и не работает на таких масштабах? Как ученые могут быть так уверены в себе?

Дело в том, что современная наука, особенно в области космологии, работает по дедуктивному методу Шерлока Холмса. Изначально может быть огромное количество вероятных и невероятных, обычных и экзотических, вписывающихся в современную теорию и противоречащих ей гипотез, объясняющих какое-либо явление. Однако объективным судьей, отсеивающим все невозможные варианты гипотез, является самое простое наблюдение и эксперимент. Соответствие наблюдениям — самый базовый критерий, которому должна удовлетворять любая научная теория. Иными словами, если отбросить все невозможные гипотезы, то оставшаяся, сколь бы парадоксальной и невероятной она ни была, и является истиной. Наука работает так, как происходит расследование преступления, где каждая улика и алиби подозреваемых имеют решающий вес. Здесь я хочу как раз рассказать об этих отсеянных гипотезах и объяснить, почему такие длительные и дорогостоящие поиски WIMP и аксионов имеют под собой очень твердые основания.

Первые наблюдения, Или место преступления

Впервые странное явление обнаружил американский астроном Цвикки в 1933 году. Он исследовал скопление галактик Волос Вероники (Coma Cluster) и обнаружил странное расхождение. Дело в том, что измерить массу галактики можно двумя способами. В первом случае можно просто посчитать количество галактик в скоплении, прикинуть их примерную массу по количеству звезд (зная примерно массу каждой) и просто сложить массы всех галактик. У него получилось примерно 1013 (в массах Солнца). Во втором случае можно измерить скорости галактик: чем больше скорость, тем больше гравитационная сила, действующая на эту галактику, и тем больше общая масса скопления. Таким образом можно снова с некоторой точностью оценить массу скопления, и в этот раз у Цвикки получилось 5×1014, то есть в 50 раз больше.

Подозреваемый №1: межзвездная пыль/газ

Подобное расхождение на тот момент не вызвало большого резонанса в научном мире, так как наблюдений было в принципе очень мало и, соответственно, не хватало информации о межзвездной пыли, газе, карликовых звездах. Тогда считалось, что эта дополнительная масса может скрываться именно в них.

В своей работе 1970 года Вера Рубин и Кент Форд изучали для галактики Андромеды зависимость скорости звезд от их отдаленности от центра галактики (так называемую кривую вращения). Так как основная часть звезд сконцентрирована вблизи центра галактики, логично предположить, что чем дальше звезда от центра, тем меньше должна быть гравитационная сила, действующая на нее, и тем меньше должна быть ее скорость. Однако оказалось, что для звезд на периферии такой закон не выполняется и кривая выходит на константу (см. рис. 2).

Кривая вращения для галактики Андромеды (из статьи V. Rubin, Kent Ford Jr., 1970)

Это означало, что основная масса, которая влияет на вращение звезд, не просто скрыта от нас. Она распределена вплоть до периферии и, возможно, еще дальше. Позже подобные кривые были прорисованы для различных галактик с абсолютно тем же результатом. Для многих эллиптических галактик эти кривые не просто не спадали, но и возрастали, то есть чем дальше звезда находилась от центра, тем больше была ее скорость. Получается, что большая часть массы (в среднем более 90%) заключена не в звездах и эта скрытая масса распределена далеко за областью галактического диска в виде сферического гало (см. рис. 3). (Гало — оптический феномен, светящееся кольцо вокруг объекта — источника света. — Прим. ред.)

Сравнение области скрытой массы и размера галактики

Межзвездная пыль и газовые облака теперь уже никак не могли объяснить наличие скрытой массы. Дело в том, что так или иначе и пыль, и газ имеют внутреннее взаимодействие: из-за трения излучения частички пыли или молекулы газа теряли бы энергию, постепенно скапливаясь с периферии в центр. И в результате мы бы имели не огромное гало, простирающееся далеко за пределы самой галактики, а скопление вещества в центре. Поэтому гипотеза газопылевой природы опровергается.

Подозреваемый №2: слабо излучающие астрофизические объекты

Следующей по простоте очевидной гипотезой было то, что скрытая часть массы может быть заключена в каких-нибудь известных астрофизических объектах (англ. MACHO — Massive astrophysical compact halo object), таких как слабые или потухшие звезды, белые, коричневые карлики, нейтронные звезды, черные дыры или даже массивные планеты типа Юпитера. Ввиду своей малости и слабой светимости эти объекты не видны в телескоп, и, вполне возможно, их так много, что они и обеспечивают наличие этой скрытой массы.

Когда слабосветящийся массивный объект пересекает наш луч зрения, то видимый объект, находящийся позади, например звезда, становится ярче из-за гравитационного линзирования света (см. рис. 4). Такое явление называется гравитационным микролинзированием. Наличие таких MACHO должно было бы привести к огромному количеству событий микролинзирования. Однако наблюдения орбитального телескопа Hubble показали, что таких событий необычайно мало и если такие объекты MACHO и есть, то их масса составляет меньше 20% от массы галактик, но никак не 95%.

Микролинзирование звезды объектом MACHO

Более того, все эти опровержения позже были подкреплены наблюдениями космического реликтового фона. Дело в том, что эти наблюдения вводят четкое ограничение на число барионов (протоны, нейтроны и все, что состоит из кварков), которые могли родиться в ранней Вселенной в период нуклеосинтеза (образования атомных ядер. — Прим. ред.). В частности, это говорит нам о том, что та барионная материя (все светящиеся звезды, газ, пылевые облака) — это уж, по крайней мере, большая часть всей барионной материи в нашей Вселенной и, соответственно, скрытая масса не может состоять из барионов.

Подозреваемый №3: модифицированные теории

Вернемся к началу рассказа: а что, если никакой дополнительной массы нет? Что, если у нас просто немножко по-другому работает теория гравитации или законы Ньютона?

В самом начале мы говорили, что чем больше гравитационная сила, действующая на объект (в данном случае — на галактику или отдельную звезду), тем больше ее ускорение (закон Ньютона) и, соответственно, скорость, так как центростремительное ускорение пропорционально квадрату скорости. Но что, если подкорректировать закон Ньютона? В 1983 году израильский физик Мордехай Милгром предложил гипотезу MOND (Modified Newtonian dynamics), в которой закон Ньютона был несколько cкорректирован для случая, когда ускорения достаточно малы (10–8 см/с2).

Такой подход хорошо объяснял кривые вращения, полученные Рубин и Фордом, и возрастающие кривые вращения для эллиптических галактик. Однако для скоплений темной материи, где ускорения галактик куда больше ускорения единичных звезд, MOND не вносил никаких поправок, и вопрос оставался открытым. Другой подход был предложен в многочисленных попытках модифицировать теорию гравитации. Сейчас существует широкий класс таких теорий, называемый параметризованным постньютоновским формализмом, где каждая отдельная теория описывается своим набором 10 стандартных параметров, объясняющих отклонение от обычной гравитации.

Какие-то из этих теорий действительно снимают проблему скрытой массы, однако ведут к другим проблемам. Например, к массивным фотонам или хроматичности гравитационной линзы (зависимости отклонения света от частоты), что, конечно же, не подтверждается наблюдениями. В любом случае, ни одна из этих теорий до сих пор не подтверждена наблюдениями. Таким образом, из всевозможных гипотез осталась только одна возможная (хотя изначально экзотическая), не противоречащая эксперименту: темная материя — это какие-то частицы небарионной природы (то есть не состоящие из кварков). Таких кандидатов в теории существует очень много (см. рис. 5), однако их подразделяют на две основные группы — холодную и горячую темные материи.

Кандидаты на роль темной материи, отсортированные по массам (из статьи V. Trimble, 1987)

Подозреваемый №4: горячая темная материя

Горячая темная материя — это легкие частицы, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света. Самым очевидным кандидатом на эту роль является самое обычное нейтрино. Эти частицы имеют очень малые массы (раньше считалось, что их масса равна нулю), рождаются в недрах звезд при различных термоядерных процессах и летят, почти ни с чем не взаимодействуя. Однако оказалось, что при том количестве нейтрино, которое есть у нас во Вселенной, для объяснения темной материи необходимо, чтобы их масса была около 10 электронвольт. Но эксперименты ограничивают массу нейтрино сверху до долей одного эВ, что в сотни раз меньше.

После отказа от обычных нейтрино появилась теория о наличии так называемых стерильных нейтрино — гипотетических частиц, возникающих в теории суперслабых взаимодействий. Однако такие частицы в экспериментах пока не обнаружены, и факт их существования сейчас под вопросом. Космологические наблюдения последних лет показали, что если горячая темная материя и есть, то она составляет не больше 10% от всей темной материи. Дело в том, что различные типы темной материи предлагают различные сценарии формирования галактик (см. рис. 6).

В сценарии горячей темной материи (top-down) в результате эволюции сперва формируются большие куски материи, которые затем схлопываются в отдельные мелкие скопления и в итоге превращаются в галактики. В сценарии холодной темной материи (bottom-up) сперва формируются мелкие карликовые галактики и скопления, которые затем сцепляются и образуют более крупные. Наблюдения и компьютерное моделирование показывают, что в нашей Вселенной реализуется именно этот сценарий, что указывает на явное доминирование холодной темной материи.

Сверху — сценарий top-down (горячая темная материя), снизу — сценарий bottom-up (холодная темная материя)

Подозреваемый №5: холодная темная материя

Гипотеза с холодной темной материей на сегодняшний день является самой распространенной в ученом сообществе. Гипотетические частицы холодной темной материи подразделяются на две категории — слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPs — weakly interacting massive particles) и слабо взаимодействующие легкие частицы (WISPs — weakly interacting slim particles). WIMPs — это в основном частицы из теории суперсимметрии (суперсимметричные партнеры обычных частиц) с массами больше нескольких килоэлектронвольт, такие как фотино (суперпартнер фотона), гравитино (суперпартнер гипотетического гравитона) и так далее. Существование одного из главных претендентов на роль WISP — аксионоподобной частицы (ALP) — опровергли недавние наблюдения орбитального гамма-телескопа FERMI/LAT.

Сейчас основным кандидатом из группы WISP является аксион, возникающий в теории сильного взаимодействия и имеющий очень малую массу. Такая частица способна в больших магнитных полях превращаться в фотон-фотонную пару, что дает намеки на то, как можно попробовать ее обнаружить. В эксперименте ADMX используют большие камеры, где создается магнитное поле в 80000 гаусс (это в 100000 раз больше магнитного поля Земли). Такое поле в теории должно стимулировать распад аксиона на фотон-фотонную пару, которую и должны поймать детекторы. Несмотря на многочисленные попытки, пока обнаружить WIMP, аксионы или стерильные нейтрино не удалось.

Таким образом, мы пропутешествовали через огромное количество различных гипотез, стремящихся объяснить странное наличие скрытой массы, и, откинув с помощью наблюдений все невозможное, пришли к нескольким возможным гипотезам, с которыми уже можно работать.

Отрицательный результат в науке — это тоже результат, так как он дает ограничение на различные параметры частиц, например отсеивает диапазон возможных масс. Из года в год все новые и новые наблюдения и эксперименты в ускорителях дают новые, более строгие ограничения на массу и другие параметры частиц темной материи. Таким образом, выкидывая все невозможные варианты и сужая круг поисков, мы день ото дня становимся все ближе к понимаю, из чего же все-таки состоит 95% материи в нашей Вселенной.

Философское определение материи. Философское и естественнонаучное представление о материи.

Из многообразия форм бытия в центре внимания философов всегда находились две: материальная и идеальная. Безусловно, для философии самый интересный предмет исследования – человек. Философы показывают специфику человеческого бытия через противопоставление сознания, духа материи. Понятие «материя», видимо, родилось из стремления выявить изначальное единство всего существующего на свете, свести все многообразие вещей и явлений к некоей общей, исходной основе.

Из истории философии мы помним, что на роль такой первоосновы мира у античных греков последовательно претендовали вода (Фалес), воздух (Анаксимен), безграничное первовещество «апейрон» (Анаксимандр), вечный живой огонь (Гераклит), все 4 стихии (Эмпедокл), мельчайшие неделимые атомы (Демокрит), «эйдосы» у Платона так можно перечислять бесконечно. Демокрит был удачнее всех.

И так, что такое материя?

Материя – это фундаментальная категория, которая фиксирует материальное единство мира.

Категория «материя» обозначает объективную реальность. Это все то, что существует вне сознания человека и независимо от него. В определении материи, решается основной вопрос философии о соотношении материи и сознания. Материалисты считают, что она первична по отношению к сознанию, а идеалисты считают в точности наоборот.

Философское понимание материи.

Материя (от лат. materia — вещество) — философская категория для обозначения физической субстанции вообще, в противоположность сознанию или духу. В материалистической философии категория «материя» обозначает субстанцию, обладающую статусом первоначала по отношению к сознанию. Материя отражается нашими ощущениями, существуя независимо от них (объективно).

Атрибутами материи, всеобщими формами её бытия являются движение, пространство и время, которые не существуют вне материи. Точно так же не может быть и материальных объектов, которые не обладали бы пространственно-временными свойствами.

Как и материя, пространство и время объективны, независимы от сознания.

– Пространство – есть форма бытия материи, характеризующая ее протяженность, сосуществование и взаимодействие материальных тел во всех системах.

– Время – форма бытия материи, выражающая длительность ее существования, последовательность смены состояний всех материальных систем.

Время и пространство обладают общими свойствами. К ним относятся:

– объективность и независимость от сознания человека;

– их абсолютность как атрибутов материи;

– неразрывная связь друг с другом и движением;

– единство прерывного и непрерывного в их структуре;

– зависимость от процессов развития и структурных изменений в материальных системах;

– количественная и качественная бесконечность

Универсальными свойствами материи являются:

– Несотворимость и неуничтожимость материи – означает, что объективный мир самодостаточен, т. е. для его существования не нужно каких-то дополнительных сил. Никто материю не создавал и никто материю не может уничтожить.

– Вечность существования во времени и бесконечность в пространстве – означает, что материя была всегда и будет всегда, что у материи нет начала и нет конца.

– Материи всегда присущи движение и изменение, саморазвитие, превращение одних состояний в другие. Под движением я понимаю не только механическое перемещение в пространстве, но и физические и химические превращения, биологические процессы и т. д. Переход материи из одной формы существования в другую (вещество-поле) – это тоже движение.

– Детерминированность (причинность) – зависимость явлений и предметов от структурных связей в материальных системах и внешних воздействий, от порождающих их причин и условий. Ничего в материальном мире не происходит просто так, случайно. Все подчинено определенным законам и последующее развивается из предыдущего.

– Неповторимость материи означает, что в объективном мире нет двух одинаковых объектов. Любой материальный объект индивидуален, будь то атом или вселенная. Другими словами, в материальном мире невозможно существование одного объекта в разных точках мироздания.

109.201.148.198 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Источники:

http://www.vseznaika.org/fizika/chto-takoe-materiya-v-nauke/
http://theoryandpractice.ru/posts/13911-dark-matter
http://studopedia.ru/14_54293_filosofskoe-opredelenie-materii-filosofskoe-i-estestvennonauchnoe-predstavlenie-o-materii.html