Hmota (fyzika)

Hmota (staršie pomenovanie matéria) je vo fyzike:

• a) v širšom zmysle: atribút substancie a entít prejavujúci sa nenulovou pokojovou hmotnosťou alebo silovým poľom, čiže súhrnný názov pre látku a pole
• b) v užšom (novšom) zmysle: iný názov pre látku, čiže opak poľa

Vysvetlenie pojmov látka a pole je uvedené nižšie. Pri definícii a) aj b) sa niekedy z pojmu hmota vylučuje antihmota (=antilátka) a/alebo tmavá hmota. Fyzikálny pojem hmoty je historicky úzko spätý s pojmom hmoty vo filozofii. Ak nie je uvedené inak, v nižšie uvedenom texte tohto článku je použitá definícia a).

Terminologické poznámky

Hmota ako materiál a pod.

Vo význame látka sa slovo hmota používa nielen podľa vyššie uvedenej definície b), ale aj v oblasti praktickej techniky. V takom prípade sa však myslí látka v úzko technickom ponímaní - t.j. materiál a pod. (napr. v spojeniach náterová hmota, stavebná hmota) a takéto použitie slova hmota sa často považuje za nesprávne. V podobnom význame (ako materiál, látka, masa a pod.) sa výraz hmota používa v istých ustálených spojeniach v rôznych oblastiach prírodných vied (napr. vzduchová hmota, medzibunková hmota, živá hmota) . Hmota v tomto zmysle každopádne nie je predmetom tohto článku.

Terminológia v angličtine

V strednej Európe tradične prevažuje vyššie uvedená definícia a), ale v posledných desaťročiach je už veľmi rozšírená definícia b), s ktorou sa už dávnejšie možno stretnúť najmä v anglických textoch. Konkrétne:

V angličtine sa slovo matter (teda hmota) obyčajne chápe ako to, čo v slovenčine tradične označujeme ako látka (t.j. myslí sa hmota podľa definície b)). Vznikajú tak niekedy aj nedorozumenia pri prekladoch (napr. "dark matter" sa prekladá ako tmavá hmota, ale slovo hmota sa tu chápe podľa definície b), čiže v tradičnej stredoeurópskej terminológii ide presnejšie len o tmavú látku).

Pole sa v angličtine dnes obyčajne označuje náhradnými výrazmi, a to najmä radiation (t.j. žiarenie) alebo force (carriers) (t.j. sila alebo nosiče sily) alebo energy (t.j. energia).

Spoločný termín pre látku a pole sa v angličtine obyčajne nevyskytuje.

Vzťah k energii

Podľa všeobecnej teórie relativity nie je žiadny rozdiel medzi hmotou a energiou, pretože hmota sa môže zmeniť na energiu a naopak.

Vznik hmoty

Pri veľkom tresku sa uvoľnili veľké množstvá energie a vznikol expandujúci štvorrozmerný časopriestor. Vďaka týmto obrovským množstvám energie vznikli veľké množstvá tesne na seba natlačených elementárnych častíc.

V takzvanej hadrónovej ére medzi 10⁻³² a 10⁻⁴ sekundami po veľkom tresku vznikli prvé stabilné protóny a neutróny. V leptónovej ére (čas potom až po 1 sekundu po veľkom tresku) vznikli prvé stabilné elektróny. Až do tejto éry sa hmota a antihmota navzájom ničili. Napokon zostala hmota.

V nasledujúcich érach žiarenia vznikli izotopy vodíka protium, deutérium a trícium. Milión rokov po veľkom tresku sa začala dnešná éra hmoty. Vodíkové mračná vytvorili galaxie a hviezdy, v ktorých prebiehala fúzia vodík na hélium až po uhlík a železo, čo sú v našom vesmíre najrozšírenejšie chemické prvky.

Klasická fyzika vs. moderná fyzika

Klasická fyzika

V klasickej fyzike sa hmota rozdeľuje na:

Látka

Látka je druh hmoty, ktorá je súhrnom diskrétnych útvarov majúcich určitú energiu a nenulovú pokojovú hmotnosť. Korpuskulárna štruktúra je pre tieto látky typická. Vytvára štruktúru látok ktoré majú buď elektrický náboj alebo je elektroneutrálna. Hmotné objekty s diskrétnou štruktúrou a nenulovou pokojovou hmotnosťou nemôžu vzťahom k ľubovolnej inerciálnej súradnicovej sústave získať rýchlosť svetla alebo väčšie rýchlosti. Pojem látka sa často zamieňa za pojem hmota. Medzi látky radíme:

1. subatomárne častice (elektrón, protón, neutrón)
2. zložitejšie mikročastice (atóm, ión, molekula)
3. makroskopické telesá a systémy v rôznych skupenstvách (tuhé, kvapalné, plynné, plazma, Boseho-Einsteinov kondenzát, fermiónový kondenzát)
4. biologické útvary (vírusy, baktérie, rastliny, živočíchy)
5. kozmické útvary (planéty, hviezdy, galaxie, metagalaxie)

Pole

Pole má pokojovú hmotnosť rovnú nule a jej výrazným rysom je vlnová povaha. Sprostredkuje vzájomné pôsobenie medzi diskrétnou formou hmoty, jej časticami, telesami… Pole sa šíri vždy konštantnou rýchlosťou a to rýchlosťou svetla (c = 2,997 928 × 10⁸ m·s⁻¹). O poli samotnom sa vie veľmi málo, pole má svoj vlastný pohyb odlišný od pohybu látky. Produktom pohybu polí sú častice s nulovou pokojovou hmotnosťou (kvantá). Fotóny sú kvantá elektromagnetického poľa. Radíme tu všetky fyzikálne polia:

1. elektromagnetické
2. mezozové
3. jadrové
4. gravitačné

Zistilo sa, za určitých podmienok sa môžu častice látok meniť na kvantové polia a naopak. Pri vzájomnom stretnutí elektrónu a pozitrónu, môže vzniknúť fotón.

Moderná fyzika

V modernej fyzike sú látka a pole, prinajmenšom v mikrosvete, iba dva navzájom späté prejavy či štruktúrne formy hmoty, pretože sa ukázalo, že:

• Elementárne častice vystupujú ako kvantá (najmenšie nedeliteľné častice) istých polí, strácajú teda čisto korpuskulárnu povahu.
• Polia strácajú úplnú nepretržitosť a štruktúrujú sa na jednotlivé kvantá (fotóny, gravitóny), čiže častice.

Pojem častica (vrátane elementárných častíc), čiže korpuskula sa používa pre úplne všetky mikrofyzikálne hmotné objekty, nezávisle od toho, či pri vzájomnom pôsobení majú štruktúru/podobu klasických častíc (látkové častice) alebo poľa (poľné častice).

Skutočnosť, že na každý hmotný objekt (časticu aj pole) sa možno pozerať buď ako na časticu, alebo ako na vlnu nazývame korpuskulárno-vlnový dualizmus (či dualizmus vlna-častica).

Spôsob existencie hmoty

Spôsob existencie hmoty alebo vlastnosti ktorými sa vyznačuje.

Pohyb

Pohyb je neoddeliteľnou vlastnosťou hmoty. Základné formy pohybu hmoty spolu zreteľne súvisia a sú od seba závislé. Prítomnosť jednej formy pohybu je predpokladom pre vznik a prítomnosť ostatnej formy pohybu. Rozdeľuje päť základných foriem pohybu:

1. mikrofyzikálny – pohyb elementárnych častíc a polí, vnútrojadrový pohyb a pohyb mikročastíc
2. chemický – pohyb atómov pri vzniku chemických väzieb
3. makrofyzikálny (mechanický) – premiestňovanie telies a systémov v priestore, zmeny štruktúry
4. biologický – funkcia a vývoj živých organizmov
5. spoločenský – procesy prebiehajúce v spoločnosti

Priestor

Pod pojmom priestor chápeme rozloženie hmotných objektov a vzájomný vzťah medzi nimi.

Čas

Trvanie existencie hmoty a jej štruktúr a vzájomný príčinný vzťah každého z nich k predchádzajúcim a nasledujúcim hmotným objektom a jeho štruktúram voláme čas.

Priestor a čas sú s hmotou nielen spojené ale priamo sú od nej závislé. Ich existencia je podmienená existenciou hmoty a jej pohybu.

Hmota je fundamentálny fyzikálny pojem. V minulosti úzko súvisel s filozofickým pojmom hmoty, pozri hmota (filozofia).

Zloženie hmoty

Nasleduje zjednodušený model zloženia hmoty (podsunutý riadok znamená „predchádzajúce sa skladá z“):

• hmota v užšom zmysle:
  • látka:
    • molekuly, ióny:
      • atómy, ióny:
        • a) protóny, neutróny a iné hadróny:
          • kvarky
        • b) elektróny, neutrína a iné leptóny
  • pole:
    • fotóny
    • gluóny
    • W bozóny a Z bozóny
    • gravitóny
• antihmota:
  • a) antiprotóny, antineutróny a iné antihadróny:
    • antikvarky
  • b) antielektróny (= pozitróny), antineutrína a iné antileptóny

(Pozn:antifotóny, antigravitóny a podobne neexistujú)

Skupenstvá hmoty

• pevné
• kvapalné
• plynné
• plazma
• Boseho-Einsteinov kondenzát
• fermiónový kondenzát (Deborah Jin, 2003)

Podľa novšej definície už pojmy pevné a kvapalné neexistujú, ale sa rozlišuje skupenstvo „kryštalické“ a „amorfné“.

Prechodmi hmoty z jedného skupenstva na druhé (fázová premena) sa zaoberá termodynamika.

Vlastnosti hmoty

Hmota má niekoľko dôležitých vlastností:

• hmotnosť
• objem
• štruktúra
• látkové množstvo
• vnútorná tepelná energia

Pozri aj

• antihmota
• zákon zachovania hmotnosti
• zákon zachovania energie