Анатолий Трутнев - Материя, пространство, гравитация

Слово материя – термин неоднозначный. У него имеется значительное количество различных определений, во многом зависящих от контекста. Материя – это одно из основных понятий физики. В процессе развития физической науки оно углублялось и расширялось. Например, Ньютон считал, что для описания материальных объектов достаточно было указать их массу, температуру, объем. С появлением общей теории относительности в понятии материи уже подразумевалась её связь с гравитацией и гравитационными волнами, а разработанная на принципиально новых концепциях квантовая физика коренным образом изменила представление физиков о мироздании.

Основными видам материи являются: вещество, антивещество. кварк – глюонная плазма, поле. квантовые поля различной природы, а также материальные объекты неясной физической природы – темная материя и темная энергия.

Одним из основных свойств различных веществ является наличие у них определенного количества массы и энергии.

1.1.1 Масса

Ещё на ранней стадии цивилизации люди задумывались над вопросом, что такое масса. На протяжении тысячелетий ученые многих стран пытались раскрыть основные свойства массы. Первым, математически описавшим эту проблему, был И. Ньютон. По Ньютону масса тела обладает двояким свойством. В первом случае она инертна (m_>i) и представляет собой отношение негравитационной силы к ускорению, а во втором гравитационная (m_>g) определяет силу притяжения тела другими телами и притяжение самим телом других тел. Обе эти величины тождественны друг другу, хотя и получены экспериментально в ходе разных экспериментов и имеют принципиально разную физическую природу.

Теория гравитации Ньютона базируется на силах тяготения, которые являются дальнодействующими и распространяются мгновенно. Она получила всеобщее признание с момента опубликования и продержалась до 1905 года, когда была замена специальной теорией относительности Эйнштейна. Если в классической механике Ньютона масса тела, вследствие закона сохранения массы, во всех процессах оставалась неизменной, то в релятивистской механике СТО Эйнштейна понятие массы приобретала более глубокий смысл. В ней рассматривалось движение тел (частиц) со скоростью близкой к скорости света. Связь между скоростью тела и его импульсом (p) определялась не по традиционным классическим канонам, а следующим соотношением.

где m_>0 – масса тела, v – скорость тела. c – скорость света.

При скорости тела значительно ниже скорости света связь импульс тела с его скоростью переходит в классическое соотношение p=mv, а величина m_>0 называется массой покоя. В релятивистской механике масса движущего тела (частицы) не равна массе покоя тела, а растет с увеличением его скорости:

В классической механике постулируется закон сохранения массы, потому масса системы тел в ней равна сумме масс тел, входящих в эту систему. В отличие от неё, в релятивистской механике в эту сумму включаются энергия связи и энергия движения частиц относительно друг друга, поэтому здесь закон сохранения массы и закон сохранения энергии объединяются в единый закон сохранения массы – энергии.

Современное представление о массе базируется на общепринятой квантовой теории поля в лице Стандартной модели. Основу её составляют 12 фундаментальных квантовых полей, квантами которых являются три поколения фермионов: 6 кварков, 6 лептонов и соответствующих им 12 античастиц. Кварки участвуют в слабом, электромагнитном и сильном взаимодействии, лептоны в первом и втором, а нейтрино только в первом взаимодействии. Переносчиками этих взаимодействий являются бозоны: фотон, глюон, W и Z.

Согласно Стандартной модели протоны и нейтроны, из которых состоят ядра химических элементов, образованы из кварков, связанных между собой безмассовыми частицами глюонами. При этом подавляющая часть массы нуклонов обусловлена кинетической энергией кварков и глюонов, а остальная часть это масса покоя кварков.