Ορισμοί (Μέρος β')

Παραθέτω από τη Wikipedia έναν επιστημονικό ορισμό της ύλης, όπως και άλλων εννοιών που έχουν σχέση με τη σύγχρονη Φυσική και Κβαντομηχανική.

Ύλη :Ύλη ονομάζεται ότι υπαρκτό υπάρχει γύρω μας, από τον αέρα που αναπνέουμε, τους κόκκους της σκόνης και τις σταγόνες της βροχής μέχρι τους γιγάντιους αστέρες και τους γαλαξίες. Όλα τα σώματα αποτελούνται από ύλη, μαζί άνθρωποι, ζώα και φυτά. Έτσι ως Ύλη ορίζεται: κάθε ύπαρξη στο Σύμπαν.

Πολύ μικροσκοπικά σωματίδια όπως τα άτομα και ακόμα μικρότερα αυτών συνδιαζόμενα με ποικίλους τρόπους δημιουργούν την αφάνταστη ποικιλία των μορφών της ύλης που χαρακτηρίζει τον κόσμο μας. Η ύλη μπορεί να μετατραπεί σε ενέργεια όπως και αντίστροφα.

Μία σύγχρονη άποψη πάνω στην ύλη τη θεωρεί ως όλες τις επιστημονικώς παρατηρήσιμες οντότητες. Συνήθως, ο ορισμός περιορίζεται σε αυτές τις οντότητες που μελετά η Φυσική.

Ο ορισμός που ακολουθείται εδώ είναι της ύλης ως οποιαδήποτε είναι η μικρότερη, βασικοτέρη οντότητα στη Φυσική. Έτσι, μπορούμε να δούμε την ύλη ως αποτελούμενη από σωματίδια που είναι φερμιόνια και επομένως υπακούν στην Απαγορευτική αρχή του Πάουλι, που αναφέρει ότι δύο φερμιόνια δεν είναι δυνατόν να βρίσκονται στην ίδια κβαντική κατάσταση. Εξαιτίας αυτής της αρχής, τα στοιχειώδη σωματίδια που αποτελούν την ύλη δεν καταλήγουν όλα στην κατάσταση με τη χαμηλότερη ενέργεια και επομένως είναι δυνατόν να υπάρξουν σταθερές δομές από φερμιόνια.

Η Ύλη (Matter) είναι η κοσμική οντότητα που θεμελιακά (δηλ. σε μικροσκοπικό επίπεδο) απαρτίζεται από δύο κατηγορίες σωματιδίων:

τα αδρόνια (hardrons) και τα λεπτόνια (leptons).

Τα αδρόνια επιπλέον χωρίζονται σε βαρυόνια (baryons) και μεσόνια (mesons).

Αντίθετα, η Ακτινοβολία (Radiation) είναι η κοσμική οντότητα που θεμελιακά (δηλ. σε μικροσκοπικό επίπεδο) απαρτίζεται από τα φωτόνια (καθώς επίσης τα γλοιόνια (gluons) και τα ασθενόνια (weak bosons)).

Θεωρούμε ότι οι δύο αυτές οντότητες απαρτίζουν το Σύμπαν.

Ωστόσο τελευταία παρατηρήθηκε η ύπαρξη άλλων δύο κοσμικών οντοτήτων: της Σκοτεινής Ύλης (Dark Matter) και της Σκοτεινής Ακτινοβολίας (Dark energy). Έχουν γίνει διάφορες υποθέσεις για τα σωματίδια που απαρτίζουν αυτές τις νέες οντότητες αλλά ακόμη (2005) δεν υπάρχει οριστικό αποτέλεσμα.

Από στατιστικής άποψης τώρα, τα αδρόνια συμπεριφέρονται ως φερμιόνια (fermions) ενώ τα τα φωτόνια ως μποζόνια (bosons).

Ενέργεια : Kάθε φυσικό σύστημα περιέχει (ή εναλλακτικά αποθηκεύει) μία ποσότητα που ονομάζεται ενέργεια. Πρόκειται περισσότερο για μια λογιστική έννοια, που μας δίνει τη δυνατότητα να προβλέψουμε την εξέλιξη ή την κίνηση ενός συστήματος. Ορίζεται σαν το ποσό του έργου που απαιτείται προκειμένου το σύστημα να πάει από μια αρχική κατάσταση σε μια τελική. Ακριβώς πόση ενέργεια περιέχεται σε ένα σύστημα μπορεί να υπολογιστεί παίρνοντας το άθροισμα ή το ολοκλήρωμα ενός αριθμού ειδικών εξισώσεων (όπως οι εξισώσεις Λαγκράντζ ή οι εξισώσεις Χάμιλτον), καθεμιά από τις οποίες δίνει την ενέργεια που έχει αποθηκευτεί κατά έναν ιδιαίτερο τρόπο. Ανάλογα με τον τρόπο που έχει αποκτηθεί, ανταλλαχθεί ή αποθηκευτεί, μπορούμε να μιλήσουμε για πολλές μορφές ενέργειας:

• Την κινητική ενέργεια
• Τη δυναμική ενέργεια
• Τη χημική ενέργεια
• Την πυρηνική ενέργεια
• Την θερμική ενέργεια
• Την ηλεκτρική ενέργεια

Γενικά, η παρουσία της ενέργειας ανιχνεύεται από έναν παρατηρητή κάθε φορά που υπάρχει αλλαγή στις ιδιότητες ενός αντικειμένου ή ενός συστήματος.

Η κυριότερη ιδιότητά της είναι ότι η συνολική ενέργεια ενός απομονωμένου (κλειστού) συστήματος είναι σταθερή, πρόταση που έχει αποδειχθεί από πλήθος πειραμάτων και χαρακτηρίζεται ως μία από τις πλέον θεμελιώδεις αρχές διατήρησης της φυσικής.

Κυματοσωματιδιακός δυϊσμός : Ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός είναι το κυριότερο χαρακτηριστικό της κβαντικής θεωρίας, μία ειδοποιός διαφορά σε σχέση με την κλασική θεώρηση της φύσης. Συνίσταται στο γεγονός ότι οι θεμελιώδεις οντότητες της φύσης παρουσιάζουν και κυματική και σωματιδιακή συμπεριφορά.

Τα σωματίδια (ηλεκτρόνιο, πρωτόνιο, νετρόνιο κ.α.) στην κλασσική φυσική θεωρούνται ως "τμήματα ύλης", παρόμοια με τα μακροσκοπικά αντικείμενα (κάτι σαν την μπάλα του γκολφ αλλά πολύ μικρότερων διαστάσεων).Το κύριο χαρακτηριστικό τους είναι ότι είναι εντοπισμένα στο χώρο, δηλ. μπορούμε με κάποια ακρίβεια να περιγράψουμε τις συντεταγμένες τους με 3 αριθμούς (στον τρισδιάστατο χώρο). Από την άλλη μεριά, το "κύμα" είναι μία διαταραχή ενός ελαστικού μέσου, ή ενός πεδίου, που διαδίδεται με κάποια ταχύτητα. Το πεδίο "απλώνεται" στο χώρο και για να το περιγράψουμε απαιτείται ένα ορισμένο πλήθος αριθμών (βαθμοί ελευθερίας) για κάθε σημείο του χώρου. Οι δύο εικόνες είναι τελείως ασύμβατες: άλλο το κύμα και άλλο το πακέτο ύλης που λέμε σωματίδιο.

Η φύση όμως δεν ακολουθεί πάντα αυτό που σε μάς "φαίνεται" φυσιολογικό. Αρχικά αποδείχθηκε ότι το φώς έχει καί τις δύο ιδιότητες: είναι κύμα, αλλά και σωματίδιο (φωτόνιο, Planck: 1900). Αργότερα με μία τολμηρή υπόθεση ο de Broglie απέδωσε κυματικές ιδιότητες σε κάθε σωματίδιο, με μήκος κύματος αντιστρόφως ανάλογο της ενέργειάς του.

Η ανάκριση της φύσης (πείραμα) έχει αποδείξει άπειρες φορές έκτοτε ότι αυτή η θεώρηση είναι σωστή. Τα σωματίδια έχουν και κυματικές ιδιότητες (παρουσιάζουν κυματική συμπεριφορά, για παράδειγμα συμβολή και περίθλαση) και τα κύματα έχουν και σωματιδιακές (συμπεριφέρονται σαν ρεύμα σωματιδίων, ιδίως κατά την εκπομπή και την απορρόφησή τους). Σε κάποια φαινόμενα εκδηλώνεται η κυματική φύση ενός σωματιδίου, ενώ σε κάποια άλλα φαινόμενα εκδηλώνεται η σωματιδιακή του φύση.

Οι δύο φύσεις αυτές είναι συμπληρωματικές. Η μία δεν αναιρεί την άλλη.

Αρχή της απροσδιοριστίας : Η αρχή της απροδιοριστίας ή διαφορετικά αρχή της αβεβαιότητας είναι βασικό αξίωμα της Κβαντικής Μηχανικής. Διατυπώθηκε για πρώτη φορά το 1927 από τον Βέρνερ Χάιζενμπεργκ (Werner Heisenberg, 1901-1976). Σύμφωνα με την αρχή της απροδιοριστίας είναι αδύνατο να μετρήσουμε με απεριόριστη ακρίβεια, τη θέση και την ορμή ενός σωμάτιου ταυτόχρονα.

Η βασική έκφραση της αρχής της απροσδιοριστίας είναι αυτή του 1927:

Εάν μετράμε τη θέση ενός σωματίου με αβεβαιότητα Δx και ταυτόχρονα μετράμε την ορμή του με αβεβαιότητα Δp, τότε το γινόμενο των δύο μεγεθών δεν μπορεί να είναι μικρότερο από έναν αριθμό της τάξης του (όπου ). Δηλαδή:

(1)

Οι αβεβαιότητες των μεγεθών θέσης και ορμής Δx και Δp ισούνται με τη διασπορά τους γύρω από τη μέση τους τιμή. Ο ίδιος ο Χάιζενμπεργκ εξήγησε ότι η ελάχιστη αβεβαιότητα στη μέτρηση των Δx και Δp δεν είναι πειραματικό σφάλμα, δεν οφείλεται δηλαδή στις ατέλειες των πειραματικών συσκευών, αλλά προκύπτει από την δομή της ύλης αυτής καθ' εαυτήν. Πιο συγκεκριμένα, η σχέση αβεβαιότητας είναι άμεση συνέπεια του κυματοσωματιδιακού δυϊσμού της ύλης (η επισήμανση δική μου). Σε θεωρητικό επίπεδο, είναι αποτέλεσμα των μεταθετικών σχέσεων ανάμεσα στους κβαντομηχανικούς τελεστές θέσης και ορμής.

Η σχέση αβεβαιότητας ισχύει για μεγέθη που μετρούνται στον ίδιο άξονα, για παράδειγμα για το ζευγάρι Δx_x, Δp_x. Όλα τα υπόλοιπα ζεύγη μεγεθών σε διαφορετικούς άξονες μπορούν να μετρηθούν ταυτόχρονα με απόλυτη ακρίβεια.

Υπάρχουν και άλλες εκφράσεις της αρχής της απροδιοριστίας. Μια από αυτές είναι η εξής:

(2)

Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει όριο στην ακρίβεια που μπορούμε να μετρήσουμε την ενέργεια ΔE ενός συστήματος, αν το σύστημα παραμένει σε μια δεδομένη ενεργειακή κατάσταση για χρόνο Δt.

Πολλές φορές γενικεύεται η αρχή της απροδιοριστίας σε φαινόμενα της καθημερινής ζωής, όπως και η Θεωρία της Σχετικότητας στο σύνολο της ή σπανιότερα τμήματά της. Πρόκειται για παρεξήγηση. Τόσο η αρχή της απροσδιοριστίας, όσο και η θεωρία της σχετικότητας, αναφέρονται σε φαινόμενα που συμβαίνουν σε σχετικά πολύ μικρά μήκη ή πολύ μεγάλες ταχύτητες, αντίστοιχα. Αυτό έχει ως συνέπεια η ισχύ τους να περιορίζεται κατά πολύ μεγάλο βαθμό στην Κλασσική Φυσική, η οποία και περιγράφει τα φαινόμενα που γίνονται αντιληπτά από εμάς καθημερινά. Ειδικότερα για την αρχή της απροσδιοριστίας, αυτό μπορεί να γίνει άμεσα αντιληπτό από την μαθηματική έκφρασή της: η σταθερά έχει πολύ μικρή τιμή (1,054 572 66 × 10^-34 ± 66 J·s) συγκρινόμενη με τις αποστάσεις και τις ταχύτητες που μπορούμε να μετρήσουμε πρακτικά έξω από το χώρο του εργαστηρίου.

Αρχή της αντιστοιχίας : Σύμφωνα με την αρχή της αντιστοιχίας, τα αποτελέσματα της Κβαντομηχανικής μελέτης ενός συστήματος συμπίπτουν, σε κάποιο συγκεκριμένο όριο, με αυτά της Κλασικής Φυσικής και τα φαινόμενα περιγράφονται με τους νόμους της δεύτερης. Αυτό συμβαίνει για καλά καθορισμένα κυματοπακέτα, στο όριο των "μεγάλων κβαντικών αριθμών", όταν n→∞ ή ακόμα όταν h/2π→0 ή m→∞, δηλαδή όταν εξετάζουμε μακροσκοπικά σώματα. Με αυτή την έννοια η Κλασική Φυσική ουσιαστικά θεωρείται σαν οριακή περίπτωση της Κβαντομηχανικής.

Φυσιολογική συνέπεια της Αρχής της αντιστοιχίας είναι και η διαπίστωση πως όσα μεγέθη διατηρούνται στην Κλασική Μηχανική, αναγκαστικά διατηρούνται και στην Κβαντομηχανική (π.χ. ορμή, στροφορμή κλπ).

Αντιύλη : Για καθένα από τα βασικά σωματίδια της ύλης, υπάρχει επίσης μια έκδοση «καθρέφτης» -ή αντισωματίδιο- στην οποία ορισμένες ιδιότητες όπως το ηλεκτρικό φορτίο είναι αντεστραμμένες.

Το κοινό ηλεκτρόνιο, για παράδειγμα, έχει αρνητικό φορτίο, ενώ το αντισωματίδιό του, που ονομάζεται ποζιτρόνιο, έχει θετικό φορτίο. Όμοια, το πρωτόνιο, που είναι θετικά φορτισμένο, διαθέτει ένα αρνητικά φορτισμένο αντισωματίδιο, το αντιπρωτόνιο. Όπως το πρωτόνιο, το αντιπρωτόνιο είναι ένα σύνθετο σωματίδιο, το οποίο αποτελείται όμως από τρία αντικουάρκ, με αντίθετα φορτία από αυτά των κουάρκ που αποτελούν το πρωτόνιο.

Τα αντισωματίδια δημιουργούνται στην ενεργητική διαδικασία μαζί με τα σωματίδια - όποτε δημιουργείται ένα σωματίδιο, πρέπει να δημιουργηθεί και ένα αντισωματίδιο. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να υπάρχει αρχική ενέργεια αρκετή για να δημιουργηθεί η μάζα του σωματιδίου και του αντισωματιδίου, σύμφωνα με την εξίσωση E=mc². Έτσι, μπορούν να δημιουργηθούν όλα τα ζεύγη σωματιδίου - αντισωματιδίου, εάν υπάρχει αρκετή ενέργεια.

Τα ζεύγη σωματιδίου - αντισωματιδίου δημιουργούνται όταν γίνονται συγκρούσεις σωματιδίων, όπως οι συγκρούσεις κοσμικών ακτίνων στην ατμόσφαιρα. Τα ποζιτρόνια (αντιηλεκτρόνια) τα οποία δημιουργήθηκαν με αυτό τον τρόπο στις αλληλεπιδράσεις κοσμικών ακτίνων ήταν τα πρώτα αντισωματίδια που παρατηρήθηκαν στη φύση. Ζεύγη σωματιδίων - αντισωματιδίων εμφανίζονται ακόμα στις ακτινοβολίες υψηλής ενέργειας, γνωστές ως ακτίνες γάμμα, αρκεί η ακτίνα γάμμα να διαθέτει αρκετή ενέργεια για να δημιουργηθεί η απαραίτητη μάζα.

Όταν ένα σωματίδιο συναντηθεί με το αντισωματίδιό του σύντομα εξαφανίζονται δημιουργώντας μια έκρηξη καθαρής ενέργειας, μια διαδικασία που ονομάζεται εξαύλωση. Η ενέργεια που αποδεσμεύεται είναι ίση με τη συνολική ενέργεια του εξαϋλωμένου ζεύγους σωματιδίων, συν τη ενέργεια μάζας, όπως αυτή δίνεται από την εξίσωση E=mc².