物质
物质（英语：matter）具有科学上和哲学上的双重含义，尽管哲学对物质的解释早于科学，一般均以科学含义解释。在经典物理学和化学中，物质是任何有质量且通过体积来占据空间[1]，而由原子及分子依某规则或形式组合的物体。
根据狭义相对论中的质能等价，物质不灭、物质与能量可互换、质能不灭，是解释物质变化的重要规律。根据广义相对论中的时空，时间与空间是物质的存在形式，既没有脱离物质的时空，也没有脱离时空的物质[2]。
科学定义的多重层次[编辑]
物质一词在物理学和化学中没有单一明确的标准定义，可以从不同层次来描述。[1]
原子与分子层面[编辑]
最常见的定义是：物质由原子和分子组成。所有肉眼可见的物体都是由原子构成的，而原子由相互作用的亚原子粒子组成，包括由质子和中子组成的原子核以及环绕的电子。[3] [4]
亚原子粒子层面[编辑]
更精细的定义涉及亚原子层面：物质由质子、中子和电子组成。质子与中子由夸克构成，而电子属于轻子家族。这类具有静质量的复合粒子通常被视为物质；相对地，像光子等无质量粒子一般不视为物质。不过不是所有具有静质量的粒子都有经典定义下的体积，如夸克及轻子等粒子一般视为质点，不具有大小及体积。正是夸克和轻子之间的相互作用才使得质子和中子具有所谓的体积，也使一般物体有体积。[5]
夸克与轻子层面[编辑]
在现代粒子物理学中，“普通物质”（ordinary matter）指由夸克和轻子这两类费米子组成的物体。[6]夸克是构成质子和中子的基本粒子，轻子包括电子和中微子。这一层面上的物质进一步可区分为重子物质（由三个夸克组成的粒子）和Module:WikidataLink第216行Lua错误：attempt to call field 'entityExists' (a nil value)（由夸克组成的一切粒子）等子类别。极端条件下（如极高温度或密度）还会出现夸克-胶子等离子体等奇异物质形态。[7]
爱因斯坦证明[8]所有物质都可以视为能量（即质能等价），两者间的关系式即为著名的<math>E = mc^2</math>，其中<math>E</math>为能量，<math>m</math>为质量，<math>c</math>为光速，其数值为 299792458 m/s。因此很小的质量可以转换为很大的能量，例如正子和电子等费米子可以转换为非物质的光子。不过虽然在这些过程中可以产生或是消灭物质，但是物质及能量的总和（透过<math>E = mc^2</math>转换）却不会改变。
历史[编辑]
人类对物质的认识经历了漫长的发展过程。早在古希腊时期，留基伯和德谟克利特提出了朴素的原子论，认为万物由不可分割的原子和虚空构成。[9]亚里士多德则提出了四元素说（土、水、气、火）和第五元素以太，这一体系在欧洲延续了近两千年。几乎同时，在古印度的佛教、印度教和耆那教哲学传统中也发展出了各自的原子论，认为原子是永恒、不可分割、无部分的微小粒子。[来源请求]
文艺复兴之后，勒内·笛卡尔提出了物质即广延的机械论观点。1808年，约翰·道尔顿基于化学实验提出了近代原子论，标志着原子学说从哲学思辨进入科学阶段。1869年门捷列夫发表元素周期表，揭示了元素的系统分类。20世纪初，欧内斯特·卢瑟福通过金箔实验发现了原子核，尼尔斯·玻尔随后建立了原子结构模型。此后粒子物理学的发展进一步揭示了夸克、轻子等更深层次的物质结构。[10]
反物质与暗物质[编辑]
反物质是由普通物质粒子的反粒子构成的物质。当粒子与其反粒子相遇时，两者会湮灭并转化为能量，符合爱因斯坦的质能方程 <math>E=mc^2</math>。[11]例如一个正电子与一个电子湮灭会产生两个光子。反物质在实验室中可通过高能粒子对撞产生，并在正电子发射断层扫描（PET）等医学成像技术中得到应用。
暗物质是天文观测推断存在但尚未直接探测到的一种物质形式。根据ΛCDM模型，可观测宇宙的质能构成约为：普通物质占约4%、暗物质占约26%、暗能量占约70%。暗物质的存在通过星系旋转曲线、引力透镜效应和宇宙微波背景辐射等证据间接推断，但具体构成仍属未知。[12]
哲学上的“物质”[编辑]
哲学上，物质被用于指与精神（mind，spirit）相对的东西，在定义最广的情况下，哲学上的物质包括了粒子、光、声、波、场、力、能量、时空等。
参考文献[编辑]
- ^ 1.0 1.1 R. Penrose. The mass of the classical vacuum. S. Saunders, H.R. Brown (编). The Philosophy of Vacuum. Oxford University Press. 1991: 21. ISBN 0-19-824449-5.
- ^ 赵国求, (2015) 双4维时空中物质波的规范变换及量子力学与相对论内在联系新探. 现代物理,01,1-14. doi: 10.12677/MP.2015.51001
- ^ P. Davies. The New Physics: A Synthesis. Cambridge University Press. 1992: 1. ISBN 0-521-43831-4.
- ^ G. 't Hooft. In search of the ultimate building blocks. Cambridge University Press. 1997: 6. ISBN 0-521-57883-3.
- ^ Matter (physics). McGraw-Hill's Access Science: Encyclopedia of Science and Technology Online. [2009-05-24]. （原始内容存档于2011-06-17）.
- ^ Particle Physics. Particle Data Group （English）.
- ^ RHIC Scientists Serve Up "Perfect" Liquid (新闻稿). Brookhaven National Laboratory. 18 April 2005 [2009-09-15]. （原始内容存档于2012-07-16）.
- ^ Einstein, A. Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?. Annalen der Physik. 1905, 18 (13): 639–643 [2013-07-28]. Bibcode:1905AnP...323..639E. doi:10.1002/andp.19053231314. （原始内容存档于2019-03-02）.
- ^ Olmsted, J.; Williams, G.M. Chemistry: The Molecular Science 2nd. Jones & Bartlett. 1996: 40. ISBN 0-8151-8450-6.
- ^ Toulmin, Stephen; Goodfield, June. The Architecture of Matter. University of Chicago Press. 1962 （English）.
- ^ Aichelburg, Peter C.; Sexl, Roman U. Antimatter. Nature. 1975 （English）.
- ^ Dark Matter. CERN （English）.
