Материя и энергия: ложная дихотомия

Частенько, читая статьи о Вселенной или о физике частиц, можно встретить фразу, упоминающую «материю и энергию» так, будто они – две противоположности, или два партнёра, или две стороны одной монеты, или два класса, из которых состоит всё остальное. Это всплывает во многих контекстах. Иногда можно увидеть, как поэтически описывают Большой взрыв в качестве момента возникновения всей «материи и энергии» Вселенной. Можно прочесть, что «материя и антиматерия аннигилируют в чистую энергию». И конечно, вспомним две величайших загадки астрономии – «тёмная материя» и «тёмная энергия».

Как учёный и специалист, пишущий на научные темы, я испытываю раздражение от такой терминологии, не потому, что она абсолютно неправильная, а потому, что такие разговоры вводят в заблуждение людей, не занимающихся наукой. Для физиков она мало что означает. Эти поэтические эпитеты относятся к тому, что чётко определено в математике и экспериментах, и двусмысленные определения просто коротко выражают длинные точные фразы. Но тех, кто не является экспертом, это очень запутывает, поскольку в каждом из контекстов используется своё определение материи, и своё значение слова «энергия» – иногда даже архаичное или просто неправильное. И любой из способов подразумевает, что всё существующее может быть либо материей, либо энергией – а это не так. На самом деле материя и энергия вообще относятся к разным категориям – это как говорить в одном предложении о яблоках и орангутангах, или о небесах и червях, или о птицах и пляжных мячах.

На этом сайте я постараюсь быть более точным, чтобы помочь читателю избежать путаницы, возникающей из такого способа выражаться.

Вкратце

Поскольку статья длинная, я надеюсь, что она будет информативной и просветит всех, кто любит углубляться в детали. А тут я просуммирую всё, что в ней говорится:

• Материя и энергия не принадлежат к одному классу понятий и не должны образовывать в представлении человека какую-то пару.
• Материя – термин неоднозначный. Для неё существует несколько разных определений, использующихся как в научной литературе, так и в научно-популярной. Каждое определение охватывает определённое подмножество частиц. То есть, материя – это всегда какое-то вещество, но какое именно – зависит от контекста.
• Энергия – термин однозначный (по крайней мере, в физике). Но энергия – это не вещество. Это то, что есть у вещества.
• Термин «тёмная энергия» вносит путаницу, поскольку это не только энергия. Это и не вещество. Какое-то вещество может частично отвечать за её присутствие, но детали нам неизвестны.
• Фотоны не нужно называть «энергией», или «чистой энергией». Все частицы – это возмущение полей, и у них есть энергия. Фотоны ничем особенным не выделяются. Фотоны – это вещество, а энергия – нет.
• Всё вещество Вселенной состоит из полей (простейших составляющих Вселенной) и их частиц. Это точка зрения относится ко времени после 1973 года.

Что такое материя (и энергия)?

Для начала определимся с терминами.

«Материя» – ужасно многозначный термин. Для него нет универсального определения, не зависящего от контекста. В различных местах используются как минимум три определения. Материей могут называть:

1. Атомы, основные строительные блоки того, что мы воспринимаем, как «материал» – стол, воздух, камень, кожа, апельсиновый сок – и те частицы, из которых состоят сами атомы, включая электроны, а также протоны и нейтроны, составляющие ядро атома.
2. Элементарные «материальные частицы» природы: электроны, мюоны, тау, три типа нейтрино, шесть типов кварков – все типы частиц, не переносящих взаимодействия (т.е. кроме фотонов, глюонов, гравитонов, W и Z). Интересно, что частица Хиггса не желает укладываться в эту удобное разделение на частицы материи и частицы взаимодействий, потому, что эта классификация изначально немного искусственная.
3. Классы частиц, которые можно встретить во Вселенной, и которые в среднем двигаются медленнее света.

По любому из этих определений электроны будут относиться к материи (хотя по третьему определению они не были материей в ранние периоды истории Вселенной, когда она была гораздо горячее). По второму определению мюоны – это тоже материя, как и нейтрино, хотя из них не состоит никакой обычный материал. По третьему определению некоторые нейтрино могут быть материей, а могут и не быть, а тёмная материя однозначно будет материей, даже если окажется, что она состоит из нового типа частиц, переносящих взаимодействия. Мне очень жаль, что эти определения настолько запутаны, но если вы хотите знать, что означает «материя» в различных книгах и статьях, вам нужно разобраться в разных способах использования этого термина.

«Энергия», к счастью (в том смысле, в котором её используют физики) – вполне чётко определённое понятие, с которым согласны все физики. К сожалению, у этого слова есть столько значений в английском [и русском] языке, что очень легко запутаться, разбираясь, что имеют в виду физики. Я кратко описывал различные формы физической энергии в статье о массе и энергии. Пока что достаточно сказать, что энергия – это не объект. Атом – объект, энергия – нет. Энергией могут обладать объекты и группы объектов – это свойство объектов, описывающее их поведение и их связи между собой. Нам же достаточно знать, что частицы, двигающиеся сами по себе сквозь пространство, могут обладать двумя типами энергий: энергией массы (E= mc², не зависящей от движения частицы) и энергией движения (эта энергия равна нулю у покоящейся частицы и становится тем больше, чем быстрее она двигается).

Аннигиляция частиц и античастиц – это не превращение материи в энергию

Рассмотрим такое представление, как «материя и антиматерия, аннигилирующие в чистую энергию». Проще говоря, это неправда, по нескольким причинам.

Чуть выше я дал вам три разных определения материи. Рассказывая про аннигиляцию частиц и античастиц, докладчик может иметь в виду первое или второе из них. Я хочу обсудить аннигиляцию электрона и антиэлектрона (или позитрона), или аннигиляцию мюона и антимюона. Детали этого процесса описаны в статье про аннигиляцию частиц и античастиц.

Что имеется в виду под «чистой энергией»? Чаще всего так описывают фотоны, и обычно – в контексте электрона и позитрона (или другой массивной частицы и античастицы). Но так делать очень плохо. Энергия – это то, чем обладают фотоны, а не то, чем они являются. У меня есть рос и вес – но это не означает, что я – это рост и вес.

Термин «чистая энергия» – смесь поэзии, краткого описания и мусора. Поскольку у фотонов нет массы, у них нет энергии массы, поэтому их энергия – это «чисто энергия движения». Но это не то же самое, что сказать: «Фотон – это 'чистая энергия'», что в строгой физике, что в представлении дилетанта. Фотоны – это частицы, такие же, как электроны. И те, и другие – это рябь соответствующих полей, и у обоих есть энергия. У аннигилировавших электрона и позитрона тоже есть энергия – столько же энергии, сколько будет у фотонов, в которые они аннигилировали, поскольку энергия сохраняется (общее количество энергии не изменяется при аннигиляции).



Более того, процесс превращения мюона и антимюона в два фотона происходит точно так же и случается почти с такой же вероятностью, как процесс превращения мюона и антимюона в электрон и позитрон, то есть аннигиляцию материи и антиматерии в другой тип материи и антиматерии. Неважно, какими словами выражаться, всё равно нельзя сказать, что материя и антиматерия всегда аннигилируют во что-то, что можно было бы даже приближённо называть «энергией»; существуют другие возможности.

Поэтому я не использую в статьях выражения «материя и энергия», говоря об аннигиляции. Я просто называю процесс его именем:

частица 1 + античастица 1 → частица 2 + античастица 2

При такой терминологии понятно, почему мюон и антимюон аннигилируют в два фотона, или в электрон и позитрон, или в нейтрино и антинейтрино одинаковым способом. Это всё процессы одного класса. Не нужно создавать несуществующей классификации, запутывающей универсальность процесса аннигиляции частицы/античастицы.

В общем и целом, материя и энергия – это ещё не всё

Почему люди иногда говорят о «материи и энергии», будто всё вокруг – это либо материя, либо энергия? Не знаю, в каком контексте изобрели это выражение. Язык отражает историю, и часто медленно реагирует на новую информацию. Часть проблемы в том, что с 1900 по 1980 происходили огромные изменения в физических концепциях, связанных с миром и с тем, из чего он состоит. Сейчас этот процесс почти остановился. В течение моей карьеры он был удивительно стабильным.

Наше текущее представление о физическом мире сформировалось благодаря широкому кругу экспериментов и открытий, случившихся в 1950-е, 60-е и 70-е. Но предыдущие способы мышления и рассуждения по поводу физики частиц не вымирали вплоть до 1980-х и 90-х, когда я учился и был молодым учёным. И неудивительно – у людей, выросших со старыми представлениями, уходит много времени на то, чтобы перестроится на новые, а некоторые так и не перестраиваются. Новому видению требуется время для того, чтобы оформиться и разобраться со всеми мелкими недостатками.

Сегодня, говоря о мире в контексте современной точки зрения, в первую очередь нужно говорить о «полях и их частицах». Поля – основные составляющие мира, согласно современной доминирующей парадигме. Поля кажутся нам более фундаментальными, чем частицы, поскольку элементарной частицы без поля не бывает, а поле без частицы – бывает. Но получается так, что у каждого из известных нам полей есть известная нам частица.

Что же общего у «полей и частиц» с «материей и энергией»? Мало чего. Некоторые поля и частицы вы могли бы назвать «материей», но какие из них – материя, а какие – нет, зависит от используемого вами определения материи. Но у всех полей и частиц может быть энергия, при этом они энергией не являются.

Частицы материи и частицы взаимодействий

В своих статьях я разделяю известные частицы на «частицы материи» и «частицы взаимодействий». Мне это не нравится, поскольку такое разделение искусственно. Пока что оно работает; частицы взаимодействий и их античастицы ассоциируются с четырьмя известными нам на сегодня взаимодействиями в природе, а частицы материи и их античастицы – это всё остальное. Во многих случаях такое разделение удобно. Но на Большом адронном коллайдере мы можем открыть частицы, не укладывающиеся в эти категории, и даже с частицей Хиггса есть определённые проблемы.

Существует совсем другое разделение, имеющее смысл: то, что я называю частицами материи, это фермионы, а то, что я называю частицами взаимодействий – это бозоны. Но и это может поменяться после новых открытий.

На самом деле всё сводится к тому, что все частицы в природе – это просто частицы, некоторые из которых служат античастицами друг другу, и не существует уникального способа поделить их на классы. Я использую слова «материя» и «взаимодействие», поскольку это звучит не так абстрактно, как «фермионы» и «бозоны» – но возможно, что я пожалею об этом, поскольку мы можем обнаружить частицы, нарушающие это разделение.

Материя и энергия во Вселенной

Ещё одно место, где мы встречаем эти слова – это история и свойства космоса в целом. Мы читаем про материю, излучение, тёмную материю и тёмную энергию. Использование этих слов космологами отличается от ожидаемого – и на самом деле у них есть два-три разных значения, зависящих от контекста.

Материя и антиматерия: говорящие о них люди имеют в виду первое определение из трёх. Они обычно говорят о превалировании материи над антиматерией во Вселенной – о том, что частиц, составляющих обычное вещество (электронов, протонов и нейтронов) гораздо больше, чем их античастиц.

Материя и излучение: такое разделение подразумевает третье определение из списка. У Вселенной есть температура. Сначала она была очень горячей, а потом постепенно остывала, и теперь она находится на отметке в 2,7 градуса выше абсолютного нуля. Если у вас есть газ (или плазма) из частиц при заданной температуре T, и вы меряете энергии этих частиц, вы обнаружите, что средняя энергия движения частицы будет k T, где k – знаменитая константа Больцмана. В этом смысле, материя – это любая частица, чья энергия массы mc² больше средней энергии движения kT. У таких частиц скорость будет гораздо меньше скорости света. Излучение – это любая частица, чья энергия массы мала по сравнению с kT, и, следовательно, она движется со скоростью, близкой к световой.

Получается, что в этом контексте то, что является, а что – не является материей, зависит от температуры, и, следовательно, от времени! В ранней Вселенной, в которой температуры составляли триллионы градусов и больше, электрон был тем, что космологи посчитали бы излучением. Сегодня в холодной Вселенной электрон попадает в категорию материи. В современной Вселенной, согласно этому определению, по меньшей мере, два из трёх типов нейтрино – это материя, а может, и все три. Но в ранней Вселенной все три нейтрино были излучением. Фотоны всегда были и будут излучением, поскольку они безмассовые.

Что такое тёмная материя? Исходя из изучения движений звёзд и других техник, мы можем сказать, что большая часть массы галактик заключается в чём-то, что не светится, и на доказательства того, что за это не отвечают известные нам частицы, ведущие себя обычным образом, было потрачено много сил. Для объяснения этого эффекта было предложено множество теорий, и многие из них были опровергнуты (обычно путём наблюдения за внешним видом и поведением галактик). Из оставшихся теорий одна из ведущих говорит о том, что тёмная материя состоит из тяжёлых частиц неизвестного типа. Но больше о них мы ничего не знаем. Эксперименты могут дать нам новую информацию, хотя это не гарантировано. Отмечу: может оказаться, что нет смысла говорить о тёмных античастицах, поскольку частицы тёмной материи, как фотоны или Z-частицы, могут оказаться своими собственными античастицами.

А тёмная энергия? Недавно было открыто, что Вселенная расширяется с ускорением, а не с замедлением, как это было в ранние годы. Предположительно, за это отвечает то, что называется «тёмной энергией», но на самом деле это не энергия. Как любит говорить мой коллега Шон Кэррол, это напряжение, а не энергия – комбинация давления и плотности энергии. Почему же её называют энергией? Частично – из-за связей с общественностью. Тёмная энергия круто звучит. Тёмное напряжение звучит странно, как и любое другое более-менее подходящее слово. В каком-то смысле это безобидная вещь. Учёные знают, о чём идёт речь, и терминология не доставляет проблем с технической стороны. Большей части публики всё равно, о чём идёт речь, поэтому можно сказать, что с нетехнической стороны проблемы тоже нет. Но если вам действительно захочется в этом разобраться, важно понимать, что тёмная энергия – это не тёмная форма энергии, но нечто более тонкое. Более того, как и энергия, тёмная энергия – это не объект и не набор объектов, а свойство, которым могут обладать поля или комбинации полей пространства-времени. Нам пока неизвестно, что отвечает за тёмную энергию, о существовании которой мы судим по ускоряющейся Вселенной. И до того, как мы это узнаем, может пройти немало времени.

Кстати, знаете ли вы, что имеют в виду астрономы под «металлами»? Не то, что вы думаете…

По прочтению статьи у вас могло сложиться впечатление, что современные физики не особенно изобретательно, творчески или чётко обходятся с языком. Очевидно, это не наша сильная сторона. Большой взрыв? Чёрная дыра? Поэты всего мира никогда не простят нам выбора таких тупых названий для таких фантастических явлений…