Δέκα πράγματα που ξέρει η επιστήμη για την ύλη

1. Η ύλη αποτελείται από άτομα. Αυτή είναι η πρόταση που είχε επιλέξει ο Richard Feynman ως την πιο σημαντική εικόνα της επιστημονικής έρευνας. Η ατομική θεωρία, επιβεβαιώνοντας τις εικασίες του Δημόκριτου, εξηγεί πολλά και διάφορα γεγονότα.
Για παράδειγμα: γιατί διαφορετικά υλικά έχουν διαφορετικές ιδιότητες. Πώς η ύλη αποθηκεύει θερμότητα στις μικροσκοπικές κινήσεις των ατόμων και άλλων συστατικών (όλα τα θερμικά φαινόμενα μπορεί να ερμηνευθούν ως στατιστικές ιδιότητες μεγάλων συνόλων από άτομα). Γιατί τα μικροσκοπικά σωματίδια παρουσιάζουν την... κίνηση Brown. Πώς χημικές αντιδράσεις προχωρούν στο μικροσκοπικό επίπεδο. Πώς τα ζωντανά πλάσματα αποθηκεύουν και αναπαράγουν τις γενετικές πληροφορίες τους, και πολλά άλλα. Τα άτομα όμως δεν είναι αδιαίρετα. Αποτελούνται από μικροσκοπικούς πυρήνες και ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε τροχιές γύρω τους. Οι πυρήνες είναι κατασκευασμένοι από πρωτόνια και νετρόνια, ενώ κι αυτά αποτελούνται από κουάρκ
1. 
   
2. 2. Οι ιδιότητες των υλικών εξαρτώνται από τη χημική σύσταση όπως και από το είδος των δεσμών μεταξύ των ατόμων. Το διαμάντι και ο γραφίτης (που και τα δύο αποτελούνται από καθαρό άνθρακα) είναι το πιο απλό παράδειγμα, ότι ο χαρακτήρας των δεσμών μεταξύ των ατόμων επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τις ιδιότητες των υλικών. Τα αέρια φτιάχνονται από ελεύθερα, καλά διαχωρισμένα μεμονωμένα άτομα. Τα υγρά φτιάχνονται από μεμονωμένα άτομα των οποίων η πυκνότητα είναι όμως τόσο μεγάλη ώστε να είναι σε συνεχή επαφή. Τέλος τα στερεά είναι είτε άμορφα υλικά, παρόμοια με "πολύ αργά υγρά” (όπως το γυαλί), ή κρύσταλλα (το διαμάντι, ο πάγος), όπου τα άτομα είναι διατεταγμένα σε διατεταγμένα πλέγματα. Αέρια στα οποία τα ελεύθερα σωματίδια είναι ηλεκτρικά φορτισμένα (συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρονίων και των ιόντων, δηλαδή άτομα στα οποία έχουν αφαιρεθεί ή προστεθεί ηλεκτρόνια) είναι, επίσης, δυνατόν να υπάρχουν σε υψηλές θερμοκρασίες και ονομάζονται πλάσμα.
3. 3. Η ύλη είναι ασυμπίεστη λόγω του συνδυασμού της αρχής του Pauli, της αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg, και της ηλεκτροστατικής δύναμης Coulomb. Η ύλη αποτελείται από άτομα, όπου δεσμεύονται μαζί ηλεκτρόνια και πυρήνες, που έλκονται ηλεκτρικά μεταξύ τους. Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να βρίσκονται σε τροχιά σε οποιαδήποτε μικρή απόσταση από τους πυρήνες, διότι θα παραβίαζε την αρχή της αβεβαιότητας (αν το ηλεκτρόνιο έχει μια καλά καθορισμένη ορμή τότε η απαγορευτική αρχή απαγορεύει μια ακριβώς καθορισμένη θέση). Ο συμβιβασμός μεταξύ της κινητικής και της δυναμικής ενέργειας, που αντιμάχονται μεταξύ τους σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας, καθορίζει το μέγεθος των ατόμων. Ακολούθως, τα άτομα δεν μπορούν να συμπιεστούν πολύ πιο πυκνά από ότι δείχνει το φυσικό τους μέγεθος, επειδή η Απαγορευτική Αρχή του Pauli εγγυάται ότι δεν μπορούν να βρεθούν δύο ή περισσότερα ηλεκτρόνια στην ίδια κατάσταση. Οι λευκοί νάνοι μεγιστοποιούν την πυκνότητα της "ηλεκτρονικής εκφυλισμένης ύλης”: το όριο Chandrasekhar καθορίζει τη μέγιστη δυνατή μάζα των άστρων που οργανώνονται με αυτό τον τρόπο. Τα αστέρια νετρονίων υπακούν σε παρόμοιες αρχές, αλλά είναι τα νετρόνια, όχι τα ηλεκτρόνια, που μεγιστοποιούν την πυκνότητά τους σε αυτή την περίπτωση.
4. 4. Τα στοιχειώδη σωματίδια που αποτελούν την ύλη είναι είτε μποζόνια είτε φερμιόνια. Τα φερμιόνια έχουν σπιν ημιακαίραιο πολλαπλάσιο της ποσότητας ℏ. Στα μποζόνια το σπιν είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της ποσότητας ℏ. . Τα φερμιόνια (όπως τα ηλεκτρόνια) υπακούουν στην αρχή του Pauli, μην επιτρέποντας στα φερμιόνια να βρίσκονται στην ίδια κατάσταση, κάνοντας έτσι την ύλη ‘αδιαπέραστη’’, δηλαδή να μην μπορεί να συμπυκνωθεί απεριόριστα. Από την άλλη πλευρά, τα μποζόνια δεν υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli, ως εκ τούτου, μπορούν να βρίσκονται στην ίδια κατάσταση μεταξύ τους, ενώ συχνά λέγονται «φορείς των δυνάμεων» (π.χ. το φωτόνιο είναι το σωματίδιο της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης). Γι ‘αυτό τα λέιζερ παράγουν δέσμες συμφασικού φωτός, και γι αυτό έχουμε συμπυκνώματα Bose-Einstein (άτομα που συμπεριφέρονται ως μποζόνια).
5. 5. Τα στοιχειώδη σωματίδια συμπεριφέρονται άλλοτε ως κβάντα και άλλοτε ως κύματα. Γι αυτό εγγυάται η Αρχή της Συμπληρωματικότητας του Niels Bohr. Όσο περισσότερο συμπεριφέρονται ως κύματα, τόσο λιγότερο συμπεριφέρονται ως σωματίδια, και το αντίστροφο. Μια τέτοια ενιαία εικόνα συμφιλιώνει τις ιδιότητες των σωματιδίων και τις ιδιότητες των κυμάτων (όπως η συμβολή σε πειράματα διπλής σχισμής). Τα ηλεκτρόνια (που είναι όπως είδαμε φερμιόνια) μπορεί να θεωρηθούν ως κβάντα ενός πεδίου Dirac. Τα φωτόνια είναι κβάντα (θεμελιώδη πακέτα ενέργειας) του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Εναλλακτικά, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο δεν μπορεί να μεταφέρει μια συνεχώς μεταβαλλόμενη ενέργεια. Η ενέργεια των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων με συχνότητα f (πάνω από την ενέργεια του κενού) είναι ίσh με το E = N*ℏ*f, όπου N πρέπει να είναι ακέραιος και δεν μπορεί να ερμηνευθεί ως ο αριθμός των φωτονίων.
6. 6. Ο ήχος φτιάχνεται από κύματα στον αέρα ή σε ένα άλλο περιβάλλον μέσον, αλλά δεν χρειάζεται κανένας ‘αιθέρας’ για να διαδοθεί το φως. Οι ήχοι και η μουσική οφείλονται στις δονήσεις του αέρα: Το "Α" είναι 440 Hz. Οι ήχοι μπορεί να διαδίδονται, επίσης, με τη μορφή δονήσεων και σε άλλα υλικά. Από την άλλη πλευρά, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και η ακτινοβολία δεν απαιτούν όπως είπαμε καμιά ύλη για να διαδοθούν: το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο είναι μια ιδιότητα του ίδιου του κενού. Ακόμη και στο κενό, υπάρχει ένα ηλεκτρικό και ένα μαγνητικό διάνυσμα σε κάθε σημείο του χώρου και σε κάθε στιγμή του χρόνου. Ως εκ τούτου, δεν υπάρχει ο λεγόμενος αιθερικός άνεμος (παρατηρήσεις που θα μας επέτρεπαν να «αισθανόμαστε» ότι κινούμαστε ως προς τον αιθέρα). Όπως υποθέτει – δείχνει η ειδική σχετικότητα, η ταχύτητα του φωτός είναι πάντα 299.792.458 m/s, ανεξάρτητα από την ταχύτητα της πηγής του ή την ταχύτητα του παρατηρητή.
7. 7. Η αδρανειακή μάζα είναι ίση προς την βαρυτική μάζα. Αυτή η Αρχή της Ισοδυναμίας όπως λέγεται, εξασφαλίζει ότι όλα τα αντικείμενα επιταχύνονται με τον ίδιο ρυθμό στα βαρυτικά πεδία (π.χ. στην επιφάνεια της Γης, υποθέτοντας ότι είναι στο κενό, δηλαδή σε περίπτωση απουσίας δυνάμεων τριβής), όπως μπορούμε να παρατηρήσουμε. Στο θεωρητικό μέτωπο τώρα, η ιδιότητα αυτή της βαρυτικής δύναμης είναι η βασική αντίληψη πίσω από τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, η οποία εξηγεί τη βαρύτητα ως συνέπεια της καμπυλότητας του χωροχρόνου.
8. 8. Η συνολική μάζα διατηρείται, αλλά η συνολική μάζα είναι το ίδιο πράγμα με την συνολική ενέργεια. Είτε θέλετε να ορίσετε τη συνολική μάζα ενός αντικειμένου, σαν την αδρανειακή μάζα (δύναμη που χρειάζεστε να ασκήσετε για να επιταχύνεται το σώμα με την μονάδα της επιτάχυνσης) ή με την βαρυτική μάζα (η δύναμη του βαρυτικού πεδίου γύρω από το αντικείμενο διαιρεμένη με την επιτάχυνση της βαρύτητας), η συνολική μάζα διατηρείται. Ωστόσο, θα πρέπει να συμπεριλάβετε και τη μάζα της «καθαρής ενέργειας» όπως μας λέει η εξίσωση Ε = mc², αλλιώς ο νόμος της διατήρησης θα παραβιαζόταν: για παράδειγμα η πυρηνική σχάση ή η σύντηξη μπορεί να μετατρέψει περίπου το 0,1% ή το 1% της μάζας σε καθαρή ενέργεια, αντίστοιχα. Αυτός ο νέος ενοποιημένος νόμος διατήρησης της υλο-ενέργειας υπάρχει επειδή οι νόμοι της φυσικής είναι αμετάβλητοι στην μετατροπή του χρόνου (ο γνωστός νόμος της Emmy Noether) και γίνεται άκυρος στο πλαίσιο της κοσμολογίας (όπου οι πραγματικοί νόμοι της φυσικής ή του υποβάθρου εξελίσσονται γρήγορα με τον χρόνο) .
9. 9. Ο αριθμός των στοιχειωδών σωματιδίων δεν διατηρείται. Πράγματι, μπορεί κανείς να δημιουργήσει πολλά νέα σωματίδια, που συνήθως έρχονται σε ζεύγη σωματιδίου-αντισωματιδίου, μετά από συγκρούσεις σωματιδίων. Τα ζεύγη αυτά μπορούν να εξαϋλώνονται, επίσης. Η δυνατότητα να δημιουργήσουμε ύλη από καθαρή ενέργεια είναι η πιο χαρακτηριστική πρόβλεψη της κβαντικής θεωρίας πεδίου. Η κβαντική θεωρία πεδίου υπονοεί, επίσης, ότι υπάρχει αντιύλη: για κάθε σωματίδιο, υπάρχει ένα αντισωματίδιο με την ίδια μάζα και αντίθετο πρόσημο. Η αντιύλη συμπεριφέρεται ανάλογα με την ύλη, ειδικά εάν αυτή είναι κατοπτρική και παρατηρείται προς τα πίσω στο χρόνο (στην τελευταία περίπτωση, η ίδια η συμπεριφορά της ύλης και της αντιύλης είναι εγγυημένη από το θεώρημα CPT – συμμετρία φορτίου, ομοτιμίας, και αντιστροφής του χρόνου).
10. 10. Υπάρχουν βαρύτερα είδη σωματιδίων που σχετίζονται με μικρότερες κλίμακες. Η περισσότερη από την ύλη γύρω μας αποτελείται από ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρόνια, ή – με την πιο στοιχειώδη περιγραφή - ηλεκτρόνια, πάνω κουάρκ, και κάτω κουάρκ (που έλκονται από τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις και τις ισχυρές αντίστοιχα). Ωστόσο, υπάρχουν πολλά άλλα είδη σωματιδίων παρόμοια με τα ηλεκτρόνια – τα λεγόμενα λεπτόνια – και πολλά άλλα κουάρκ. Πολλά από αυτά τα σωματίδια είναι ασταθή, και ως εκ τούτου ασήμαντα στη σύνθεση σταθερών υλικών. Όμως, ακόμα και αν τα βαρύτερα σωματίδια είναι σταθερά, είναι λιγότερο σημαντικά από τα πιο ελαφρά, διότι είναι δύσκολο να δημιουργηθούν και επειδή η πιθανή ύπαρξή τους επηρεάζει μόνο τα φαινόμενα σε όλο και μικρότερες αποστάσεις. Τα στοιχειώδη σωματίδια είναι βαρύτερα από την μάζα Planck (περίπου 2×10⁻⁸ kg) – και μάλιστα υπάρχουν πολλά από αυτά. Ωστόσο, μπορούν να ερμηνευθούν ως μικροκαταστάσεις μιας μαύρης τρύπας και η περιγραφή τους με όρους της γενικής σχετικότητας γίνεται πιο φυσιολογική από την περιγραφή τους με όρους της κβαντικής θεωρίας πεδίου. Η θεωρία χορδών / Μ-θεωρία μας δίνει πολλούς λεπτομερείς υπολογισμούς μεταξύ των συνηθισμένων ελαφρών σωματιδίων και των μαύρων οπών – π.χ. καταστάσεις Kaluza-Klein, ας πούμε σωματίδια που κινούνται σε πρόσθετες διαστάσεις, διεγερμένες καταστάσεις χορδών και βράνες κλπ.

 (από: motls, physics4u)