Материя

Материя — это фундаментальная физическая категория, обозначающая объективную реальность, существующую независимо от человеческого сознания и данную нам в ощущениях. В широком смысле материя включает в себя всё, что обладает массой покоя и занимает объём (вещество), а также физические поля, обладающие энергией и не имеющие массы покоя. Материя является основным объектом изучения естественных наук, прежде всего физики и химии, и рассматривается как одна из ключевых категорий философии, наряду с сознанием, пространством и временем.

Философское понимание материи

В философии понятие материи разрабатывалось с античных времён. В Древней Греции философы-материалисты (Левкипп, Демокрит, Эпикур) рассматривали материю как совокупность неделимых частиц — атомов, движущихся в пустоте. Платон и Аристотель противопоставляли материю (как пассивное начало, «гиле») форме (активному началу). В средневековой схоластике материя понималась как субстрат, подверженный изменениям.

В Новое время, с развитием механики, материя стала отождествляться с веществом, обладающим массой, протяжённостью и непроницаемостью. Рене Декарт сводил материю к протяжению. Исаак Ньютон ввёл понятие абсолютного пространства и времени, в которых движется материя, состоящая из корпускул.

В марксистской философии (диалектическом материализме) было дано классическое определение материи, сформулированное В. И. Лениным в работе «Материализм и эмпириокритицизм» (1909): «Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них». Это определение подчёркивает первичность материи по отношению к сознанию и её познаваемость.

Физические представления о материи

Классическая физика

В рамках классической физики (XVII–XIX века) материя рассматривалась как совокупность дискретных частиц (атомов и молекул), подчиняющихся законам механики Ньютона. Считалось, что материя обладает неизменной массой, занимает строго определённый объём и может находиться в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. Взаимодействие между частицами описывалось гравитационными и электромагнитными силами. В конце XIX века было открыто четвёртое агрегатное состояние — плазма.

Квантовая физика и теория относительности

В XX веке представления о материи претерпели коренные изменения. Специальная теория относительности (А. Эйнштейн, 1905) установила эквивалентность массы и энергии (E=mc²), что привело к пониманию того, что масса не является неизменным свойством, а может переходить в энергию и обратно. Общая теория относительности (1915) показала, что материя искривляет пространство-время, а гравитация является следствием этого искривления.

Квантовая механика (1920-е годы) ввела понятие корпускулярно-волнового дуализма: микрочастицы (электроны, протоны, фотоны) проявляют как свойства частиц, так и свойства волн. Материя на микроуровне описывается не как набор твёрдых шариков, а как вероятностные поля. Было установлено, что атомы состоят из ядра (протоны и нейтроны) и электронной оболочки, а сами протоны и нейтроны — из кварков и глюонов.

Современная физическая картина

Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, материя состоит из фундаментальных частиц — фермионов (кварков и лептонов), которые взаимодействуют друг с другом путём обмена частицами-переносчиками взаимодействий — бозонами. Выделяют четыре фундаментальных взаимодействия: сильное (удерживает кварки в адронах), слабое (отвечает за радиоактивный распад), электромагнитное и гравитационное. Материя в виде вещества составляет лишь около 5 % от общей массы-энергии Вселенной. Остальное приходится на тёмную материю (около 27 %) и тёмную энергию (около 68 %), природа которых остаётся невыясненной.

Виды и формы материи

В современной науке материю принято делить на несколько основных видов:

• Вещество — материя, обладающая массой покоя. Состоит из атомов, молекул или ионов. Включает все известные химические элементы и их соединения. Может находиться в твёрдом, жидком, газообразном и плазменном состояниях.
• Физические поля — особая форма материи, не имеющая массы покоя, но обладающая энергией и импульсом. К ним относятся электромагнитное поле, гравитационное поле, поля ядерных сил. Поля пронизывают всё пространство и обеспечивают взаимодействие между частицами вещества.
• Антивещество — материя, состоящая из античастиц (позитронов, антипротонов, антинейтронов). При контакте с веществом происходит аннигиляция — полное превращение массы в энергию. Антивещество синтезируется в лабораторных условиях и наблюдается в космических лучах.
• Тёмная материя — гипотетическая форма материи, не взаимодействующая с электромагнитным излучением и проявляющая себя только через гравитационное воздействие на видимые объекты. Её существование подтверждается аномалиями в движении галактик и гравитационным линзированием.

Свойства материи

Материя обладает рядом фундаментальных свойств, которые изучаются в физике:

• Масса — мера инертности и гравитационного взаимодействия. В классической физике масса сохраняется, в релятивистской — может переходить в энергию.
• Энергия — способность совершать работу. Материя всегда обладает энергией (покоя, кинетической, потенциальной).
• Импульс — векторная мера механического движения.
• Пространственно-временная протяжённость — материя существует в пространстве и времени, занимая определённый объём и изменяясь во времени.
• Дискретность и непрерывность — на макроуровне материя кажется непрерывной, на микроуровне — дискретной (состоит из частиц).
• Взаимодействие — все виды материи способны к взаимодействию (гравитационному, электромагнитному, сильному, слабому).

Материя в химии

В химии материя рассматривается как вещество, имеющее химический состав и строение. Основные понятия: атом, молекула, химический элемент, простое вещество, сложное вещество, смесь, раствор. Химия изучает превращения веществ (химические реакции), в ходе которых изменяется состав и строение молекул, но сохраняется общая масса (закон сохранения массы). Материя в химии классифицируется по агрегатному состоянию, по типу химической связи (ковалентная, ионная, металлическая), по происхождению (органическая, неорганическая).

Материя в космологии

В космологии материя является основным компонентом Вселенной. Согласно современным представлениям, после Большого взрыва (около 13,8 млрд лет назад) материя существовала в виде кварк-глюонной плазмы, затем, по мере расширения и охлаждения, сформировались протоны, нейтроны, атомы водорода и гелия. Из этих первичных элементов в результате гравитационной конденсации образовались звёзды, галактики и другие космические структуры. Распределение материи во Вселенной неоднородно: она сосредоточена в галактиках, скоплениях галактик и тёмных гало. Изучение крупномасштабной структуры Вселенной и динамики галактик привело к открытию тёмной материи.

Интересные факты

• Масса покоя всех частиц вещества составляет лишь около 1 % от массы покоя протонов и нейтронов; остальное приходится на энергию связи глюонного поля, удерживающего кварки.
• Фотоны (кванты электромагнитного поля) не имеют массы покоя, но обладают энергией и импульсом, и на них действует гравитация (отклонение света в поле тяготения).
• В лабораториях (например, в ЦЕРНе) удаётся получать и удерживать антивещество — антиводород, состоящий из антипротона и позитрона.
• Согласно теории инфляции, в первые мгновения после Большого взрыва материя и антиматерия были почти симметричны, но небольшое нарушение симметрии (бариогенезис) привело к тому, что вещество преобладает над антивеществом.

Источники

1. Ленин В. И. Материализм и эмпириокритицизм. — Полное собрание сочинений, т. 18.
2. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: в 10 т. — М.: Наука, 1973–1989.
3. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. — М.: Мир, 1965–1967.
4. Хокинг С. Краткая история времени. — М.: Амфора, 2001.
5. Стандартная модель физики элементарных частиц. — CERN, 2023.
6. Планк 2018 results. — Astronomy & Astrophysics, 2020.