Skały jako przykład materii

W fizyce termin materia ma kilka znaczeń.

Historia pojęcia „materia” w fizyce[ | edytuj kod]

Kartezjusz i Newton[ | edytuj kod]

Spór co do zakresu znaczeniowego pojęcia „materia” pojawił się wśród fizyków już w epoce formowania się fizyki jako nauki, tj. w wieku XVII.

Według Kartezjusza, materia to byt rozciągły w przestrzeni, wypełniający ją całą, przy braku próżni absolutnej, podzielny nieskończenie, nie tylko w postaci ciał (cząstek), ale subtelnego materiału przenoszącego oddziaływania między nimi (Meteorologia 1637, Zasady filozofii 1644). Koncepcja ta była nieco zbliżona do tej, jaka wynika z fizyki współczesnej, lecz czysto spekulatywna. Dlatego zwyciężyła koncepcja przedstawiona przez Izaaka Newtona: świat składa się z ciał zbudowanych z twardych i sztywnych, niepodzielnych cząstek, nieprzenikliwych (jedno miejsce może zajmować jedna tylko cząstka), rozciągłych w absolutnej przestrzeni i trwających w absolutnym czasie, zdolnych do ruchu, obdarzonych bezwładnością (masą bezwładną) i ważkością (masą ważką), rozdzielonych absolutną próżnią; oddziaływania przenoszą się na odległość (przez próżnię, bez pośrednictwa ciał materialnych), z nieskończoną prędkością (Philosophiae naturalis principia mathematica 1687, Optyka 1704). Podstawowym atrybutem materii i miarą jej ilości (a w fizyce posiadanie cech mierzalnych decyduje o uznaniu danego bytu za realny), jest w tym ujęciu masa. Koncepcja ta wydawała się mieć mocne oparcie w ścisłych prawach fizyki newtonowskiej (dynamiki i teorii grawitacji) i stała się filozoficzną podstawą dalszego rozwoju mechaniki klasycznej, a następnie, po uznaniu ciepła za skutek ruchu cząstek (Herapath, Carnot), kinetycznej teorii gazów i termodynamiki. Rozwój fizyki wydawał się dowodzić nieistnienia imponderabiliów – bytów istniejących obiektywnie, rozciągłych, lecz nie posiadających masy, takich jak cieplik.

Problem eteru – ostatniego z imponderabiliów[ | edytuj kod]

Newton przyjmował, że światło jest strumieniem cząstek o właściwościach zgodnych z jego koncepcją materii (Optyka 1704). Jednak już w 1678 Huygens sformułował koncepcję światła jako fali (podłużnej) (Traktat o świetle 1690). Odkrycie przez Younga w 1801 dyfrakcji i interferencji światła (choć oba te zjawiska były obserwowane już w XVII wieku, także przez Newtona), wydawało się jednoznacznie potwierdzać tę hipotezę. Pozostawał jednak problem ośrodka, w którym fala ta się rozchodziła (nazwanego przez Huygensa eterem). Eter nie posiadał masy, wypełniał próżnię fizyczną, był niezwykle sprężysty. Co gorsza, gdy po odkryciu (Malus 1809) polaryzacji światła, okazało się ono falą poprzeczną (Young 1817), eterowi trzeba było przypisać jednocześnie doskonałą ściśliwość, jakiej nie mają nawet gazy, i sztywność charakterystyczną dla ciała stałego.

Pole – nowy obiekt fizyczny. Faraday i Maxwell[ | edytuj kod]

Koncepcja pola, jako formy opisu matematycznego zjawisk w ośrodkach ciągłych została sformułowana pod koniec XVIII i na początku XIX wieku (Cauchy 1822).

W 1844 Michał Faraday wysunął hipotezę, że nośnikiem oddziaływań elektrycznych i magnetycznych jest istniejący realnie byt nazwany później polem elektromagnetycznym, wypełniające całą przestrzeń między ciałami masywnymi (atomami). Nawiązał przy tym do koncepcji Rudjera Boškovicia (1783), odrzucając ideę oddziaływania na odległość z nieskończoną prędkością. Maxwell w 1862 opracował teorię tego pola, uznając światło za jego drgania (falę elektromagnetyczną).

Teoria Faradaya – Maxwella była pierwszą teorią ujmującą rzeczywistość fizyczną w kategorie nie-newtonowskie, w pewnym sensie zwrotem w kierunku kartezjańskiej koncepcji materii, lecz już nie w formie spekulatywnej, a naukowej (zmatematyzowanej i potwierdzonej doświadczalnie – Hertz 1887).

Faraday wysunął też hipotezę istnienia pola grawitacyjnego: moc stale istnieje [...] w całej nieskończonej przestrzeni, bez względu na to, czy tam są wtórne ciała, na które mogłaby podziałać siła grawitacji; i to [...] wokół każdej istniejącej cząstki materii.

Faraday, niekiedy traktował pole jako formę materii: materia jest obecna wszędzie, i nie ma przestrzeni pośredniczącej, która by nie była przez nią zajęta [...], to co naprawdę jest materią jednego atomu, dotyka materii jego sąsiadów, niekiedy ograniczał pojęcie materii do newtonowskiego, uznając je jakby za błędne: atomy są tylko centrami sił lub mocy, a nie cząstkami materii [...] substancja składa się z mocy, nigdy jednak nie negował realnego istnienia atomów.

Własności pola elektromagnetycznego nie dawały się sprowadzić do praw mechaniki klasycznej. To oraz odkrycie promieniotwórczości (łamiącej prawo zachowania masy) spowodowało pod koniec XIX wieku załamanie się materializmu mechanistycznego, jako filozoficznego fundamentu fizyki i światopoglądu fizyków. Stało się jasne, że tradycyjne, newtonowskie pojęcie materii nie odpowiada całej rzeczywistości fizycznej i nie wszystkie zjawiska fizyczne redukują się do mechaniki. Należało albo przyjąć, że istnieją dwie zupełnie różne jakościowo (choć obie istniejące obiektywnie), formy materii: masywna (korpuskularna, substancjalna) i bezmasowa (polowa, promienista), albo przyjmując newtonowskie pojęcie materii, nie zaliczać do niej pola. Masa przestała być atrybutem materii, a pojęcie „materia” przestało być jednoznacznie określone. Okazało się też, że pole elektromagnetyczne posiada energię, choć (jak wtedy sądzono) nie posiada masy. Niektórzy fizycy, jak Ostwald, uznali więc, że energię należy traktować jak realny byt, a nie tylko abstrakcyjną wielkość fizyczną i sprowadzili materię do roli jednego tylko z rodzajów energii (energetyzm). Inni, jak Mach, sprowadzali całą rzeczywistość do ciągu wrażeń, które Mach nazywał elementami i zanegowali całkowicie istnienie materii, jako obiektywnej rzeczywistości, a co najmniej użyteczność w fizyce tego pojęcia (empiriokrytycyzm). Wiek XX przyniósł dwie rewolucje naukowe, teorię względności i mechanikę kwantową, które sprowadziły fizykę Newtona do roli uproszczonego modelu rzeczywistości.

Jedność po raz pierwszy – Einstein[ | edytuj kod]

Szczególna teoria względności[ | edytuj kod]

Z równań Maxwella wynika, że światło ma stałą prędkość względem dowolnego obserwatora, co oznacza, że prawa elektrodynamiki nie są niezmiennicze względem przekształcenia Galileusza, i nie daje się wyjaśnić prawami mechaniki Newtona. W latach 1900–1904 Lorentz i Poincaré opracowali nowe przekształcenie współrzędnych przestrzennych i czasu przy zmianie obserwatora (tzw. transformację Lorentza), uważali je jednak za czysto matematyczny wybieg lub, co najwyżej, szczególną właściwość pola elektromagnetycznego, co wydawało się odróżniać pole od ciał masywnych, których ruch opisywać miało nadal przekształcenie Galileusza.

W 1905 Albert Einstein zbadał konsekwencje transformacji Lorentza, uznając ją już nie za wybieg matematyczny, a za opis rzeczywistych praw fizyki, dotyczących nie tylko pola elektromagnetycznego, ale także poruszających się ciał i tworząc szczególną teorię względności – fundament mechaniki relatywistycznej.

Zgodnie ze szczególną teorią względności, każdy obiekt fizyczny (zarówno ciało, jak i kwant pola), posiada pęd i energię, związane zależnością:

E 2 − ( p c ) 2 = E 0 2 , {\displaystyle E^{2}-(pc)^{2}=E_{0}^{2},}

gdzie E 0 {\displaystyle E_{0}} – energia spoczynkowa (energia w układzie odniesienia, w którym pęd obiektu jest zerowy).

Energia spoczynkowa jest powiązana z masą obiektu zależnością: E 0 = m 0 c 2 , {\displaystyle E_{0}=m_{0}c^{2},}

gdzie m 0 {\displaystyle m_{0}} oznacza masę spoczynkową.

Obiekt fizyczny o niezerowej masie spoczynkowej to ciało fizyczne.

Każdemu obiektowi fizycznemu można też przypisać tzw. masę relatywistyczną m r e l = E / c 2 , {\displaystyle m_{rel}=E/c^{2},} przy czym mogą istnieć obiekty o niezerowej energii (masie relatywistycznej) i niezerowym pędzie, a zerowej energii (masie) spoczynkowej, dla których E = p c {\displaystyle E=pc} i m r e l = p / c . {\displaystyle m_{rel}=p/c.} Przykładem jest pole elektromagnetyczne, które ma zerową masę spoczynkową, lecz niezerową energię (Poynting 1884) i niezerowy pęd (ciśnienie promieniowania).

Na gruncie szczególnej teorii względności można jako materialne określić albo wyłącznie obiekty fizyczne posiadające niezerową masę spoczynkową (ciała fizyczne), albo wszystkie obiekty posiadające niezerową energię. Szczególna teoria względności nie obejmuje pola grawitacyjnego i nie pomaga w określeniu, czy spełnia ono definicję materialności.

Ogólna teoria względności[ | edytuj kod]

Ogólna teoria względności wprowadza grawitację jako obserwowany efekt krzywizny czasoprzestrzeni. Jedną z konsekwencji jest fakt, że układu obiektów o niezerowej objętości nie można traktować jak jeden obiekt fizyczny (chyba że w przybliżeniu, lub dla małych pól), gdyż oddziaływanie grawitacyjne między nimi nie pozwala na ich przedstawienie na jednym układzie inercjalnym. Zgodnie z ogólną teorią względności, oddziaływanie grawitacyjne jest konsekwencją niezerowego tensora energii-pędu w danym punkcie czasoprzestrzeni, którego składowe są związane z energią, pędem i ciśnieniem w tym punkcie. Energia i w konsekwencji grawitacja nie zawsze może być przypisana konkretnej cząstce. Istnieje np. tzw. energia próżni, lub ujemna grawitacyjna samoenergia układu.

Co więcej, OTW przewiduje np. istnienie cząstek o ujemnej energii w tzw. ergoobszarze wokół obracających się czarnych dziur.

Pojęcie masy relatywistycznej i spoczynkowej, które pozwalało w STW na przeniesienie części intuicji z mechaniki klasycznej, w OTW przestaje pełnić tę funkcję. Na gruncie OTW można jednak jako materię zdefiniować wszystkie obiekty posiadające niezerowy tensor energii-pędu, czyli wytwarzające grawitację i jej podlegające, w tym także pole grawitacyjne.