Materija (fizika)

Nėra aiškaus materijos apibrėžimo su kuriuo sutiktų visi fizikai.

Erwin Schrödinger, 1953 m.

Materija – fizikoje vartojama, labai aiškaus apibrėžimo neturinti savoka, apytikriai nusakoma kaip fizikinė tikruma, iš kurios sudaryta Visata. Šiuo metu manoma, jog praktiškai bet kas fizikoje tuo pat metu yra ir dalelė, ir fizikinis laukas. Šis požiūris yra patvirtintas daugelio eksperimentų. Įprastai kaip dalelės suvokiami elektronai, neutronai ir protonai gerai parinktomis eksperimento salygomis elgiasi kaip bangos: jiems būdinga interferencija, difrakcija. Nei dalelės, nei bangos teorija nebėra hipotezė – abi yra eksperimentiškai įrodytos.

Fizikų požiūris į materiją, jos apibrėžimą laikui bėgant keitėsi. Gana ilgai buvo manoma, jog materija yra visuma labai mažų, tačiau visgi išmatuojamų ir suskaičiuojamų elementeriųjų dalelių, pabrėžiant, jog šios dalelės skiriasi nuo elektromagnetinių ir kitokių laukų bei vakuumo, kurie nėra materija. Šiuo metu fizikui sunku pasakyti, kas yra materija, o kas yra kažkas kita, nes net ir vakuumas niekada nebūna iš tiesų „tuščias“: jame esama gravitacinių ir kitokių laukų.

Materijos kaip suskaičiuojamų dalelių visumos apibrėžimas rėmėsi ne vien žiniomis apie atomus ir jų elementariąsias daleles. Šį apibrėžimą taip pat rėmė Max Planck atradimai, rodantys, jog energija taip pat susideda iš nedalomų vienetų, kvantų. Boro postulatai irgi tai gerai patvirtino. Ši teorija, vadinama „korpuskuline“, buvo išvystyta dar 19 amžiuje, James Clerk Maxwell ir Ludwig Boltzmann teoriškai analizuojant idealiąsias dujas. Tarus, jog dujos susideda iš smulkių, kietų, nesusidėvinčių dalelių (apie kurių prigimtį buvo nesigilinama), buvo sukurtos lygtys, gerai paaiškinančios dujų slėgines, šilumines savybes, klampumą, šiluminį laidumą ir difuziją. Buvo atrasti elektronai ir nukleonai (neutronai bei protonai).

Tačiau vėliau paaiškėjo, jog atomo branduolys yra lengvesnis nei visos skyrium paimtos dalelės, iš kurių jis susideda, nes dalis masės tampa jungiamąja energija, laikančia branduolio komponentus kartu. Taip teko pripažinti, jog fizikiniai laukai ir bangos taip pat yra materija, pereinant prie dabar įprasto apibrėžimo, nors ir sunkiau psichologiškai suvokiamo. Pagal Einšteiną, energija turi masę ir masė yra energija, ir abi yra susietos žinoma formule E=mc². Išties, „iškirpus“ iš bangos maždaug 10 – 20 bangos ilgių plotelį, gaunamas į dalelę gana panašus „bangos paketas“, judantis konkrečia kryptimi ir neišsisklaidantis. Tačiau fizikoje tenka nagrinėti ir daug sudėtingesnes situacijas.

Svarbi materijos savybė yra jos neapibrėžtumas ir kintamumas, suprantamas pagal Heraklito posakį neįmanoma antrąkart įbrįsti į tą pačią upę. Elementariųjų dalelių, tokių kaip elektronai, tikslios padėties erdvėje (ir kai kada net skaičiaus) neįmanoma nustatyti ne dėl techninių problemų, o todėl, jog būdami taip pat ir bangos jie šios padėties iš principo neturi. Erwin Schrödinger dargi rašo, jog net tokie fundamentalūs dėsniai kaip masės ar elektros krūvio tvarumas gali būti tik statistiniai ir negalioti pavieniams „bangos dalelės“ objektams.

Materijos sąvoka vis dar prisimenama kalbant apie matematinius ar geometrinius objektus, kuriems ne visada galioja įprastiniai fizikos dėsniai. Pavyzdžiui, šešėlis siena gali judėti greičiau nei juda šešėlį metantis objektas, ir tas greitis gali viršyti šviesos greitį. Taip yra todėl kad „šešėlis“ yra geometrinė ar loginė samprata ir nėra materialus objektas. Metant tokį šešėlį, jokie sistemą sudarantys materialūs objektai (šviesos šaltinis, šešėlį metantis objektas, šviesos fotonai, siena) iš tiesų nejuda didesniu nei šviesos greičiu. Panašiai greičiau nei šviesa gali judėti dviejų susikertančių šviesos spindulių susikirtimo taškas ir kitos nei masės, nei energijos neturinčios abstrakcijos.

Šaltiniai

1. Erwin Schrödinger: What is matter? In: Scientific American. 189, 1953, S. 52–57
2. Are Shadows Matter? van.physics.illinois.edu (universiteto tinklalapis)
3. Philip Gibbs (1997) Is Faster-Than-Light Travel or Communication Possible? [1] (universiteto tinklalapis)