存在的物质和能量的数量是恒定的吗?

时间:2022-04-15 10:48:49   作者:
宇宙中能量和物质的总量保持不变,只是从一种形式转变为另一种形式。热力学第一定律(守恒)指出能量总是守恒的,它不能被创造或毁灭。

在经典物理和普通化学中,物质是任何有质量并通过体积占据空间的物质所有日常用品可以感动最终是由原子组成的,由亚原子粒子相互作用,以及在日常的科学使用,物质一般包括原子和什么组成的,以及任何粒子(或粒子)的组合,仿佛都静止质量和体积。然而,它不包括无质量的粒子,如光子,或其他能量现象或波,如光或热。物质以各种状态存在(也称为相)。这些包括经典的日常相,如固体、液体和气体——例如水以冰、液态水和气态蒸汽的形式存在——但其他状态也可能存在,包括等离子体、玻色-爱因斯坦凝聚体、费米凝聚体和夸克-胶子等离子体。

通常,我们可以把原子想象成一个由质子和中子组成的原子核,以及一个环绕着它的电子云,这些电子占据了空间。然而,这只是在某种程度上是正确的,因为亚原子粒子及其性质是由它们的量子性质控制的,这意味着它们的行为并不像日常物体所表现的那样——它们可以像波一样,也像粒子一样,而且它们没有明确定义的大小或位置。在粒子物理学的标准模型中,物质不是一个基本概念,因为原子的基本组成部分是量子实体,它们没有固有的大小或体积,在任何日常意义上的词。由于排斥原理和其他基本相互作用,一些被称为费米子(夸克、轻子)的点粒子,以及许多复合粒子和原子,在日常条件下实际上被迫与其他粒子保持距离;这创造了物质的属性,在我们看来,物质占据了空间。

在自然科学史的大部分时间里,人们都在思考物质的确切性质。物质是由离散的构件构成的观点,也就是所谓的物质微粒理论,在公元前一千年分别出现在古希腊和古印度的佛教徒、印度教徒和耆那教徒中提出物质微粒理论的古代哲学家有卡纳达(约公元前6世纪或之后)、Leucippus(约公元前490年)和德谟克利特(约公元前470-380年)。

在物理学中,能量是传递给一个物体或一个物理系统的数量属性,可以通过做功、热和光的形式来识别。能量是守恒量;能量守恒定律表明能量可以以某种形式转换,但不能被创造或毁灭。国际能量单位制(SI)中的测量单位是焦耳,焦耳是在1牛顿的力作用下将物体移动1米所做的功传递给物体的能量。

常见形式的能源包括移动物体的动能、势能存储对象的位置在一个力场(重力、电或磁),拉伸固体的弹性能量存储对象,燃料燃烧时释放的化学能,辐射的能量由光,以及由物体温度产生的热能。

质量和能量是密切相关的。由于质能等价,静止时具有质量的任何对象(称为静止质量)也有等量的能量的形式被称为剩余能量,和任何额外的能量(任何形式)收购上述对象,剩余能量会增加对象的总质量,正如它的总能量增加。例如,加热一个物体后,其能量的增加原则上可以用一个足够灵敏的尺度来测量,即质量的小幅增加。

生物体需要能量来维持生命,例如人类从食物和氧气中获得的能量。人类文明需要能源来运转,而能源来自化石燃料、核燃料、可再生能源等能源资源。地球的气候和生态系统过程是由地球从太阳接收到的辐射能和地球内部包含的地热能驱动的。
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