Archivní obsah
Tento materiál pochází ze staršího archivu rvp.cz a už není součástí aktuální nabídky. Uchováváme ho, aby na něj dál vedly původní odkazy.
Odborný článek
Hmota, energie a hmotnost
3,2 (5 hodnocení)
Archivní obsah
Tento materiál pochází ze staršího archivu rvp.cz a už není součástí aktuální nabídky. Uchováváme ho, aby na něj dál vedly původní odkazy.
Cílem článku je podat přehled o základních pojmech přírodních věd tak, aby byly v celém přírodovědném vzdělávání používány ve stejných a nikoli různých, či dokonce protikladných významech.
Přírodní vědy (a přirozeně i přírodovědné vzdělávací obory či předměty) studují hmotné (materiální, reálné) objekty, mající často velmi různé vlastnosti (složení, struktura apod.). To ovšem neznamená, že tyto discipliny nemají jisté společné znaky. Které to jsou? V první řadě mají společný hlavní poznávací cíl (hlavním cílem je vždy poznání zákonitostí, jimiž se uvedené objekty řídí). Pak je to jejich společná metodologie (užívání teorie a experimentu jako hlavních prostředků objektivního a poměrně spolehlivého poznávání reálného světa). Přírodní vědy využívají určité velmi obecné pojmy, které jsou součástí všech přírodovědných (a dokonce i sociálních) disciplín. Patří k nim v první řadě pojmy hmota, energie a hmotnost. A především ony budou stát v popředí našeho zájmu v tomto článku. Chtěli bychom vymezit jejich význam, případně jejich různé (často chybné) interpretace, které se někdy vyskytují v literatuře. Cílem je podat určitý přehled o významech zmiňovaných pojmů tak, aby byly v celém přírodovědném vzdělávání (a nejen v něm) používány ve stejných a nikoli různých, či dokonce protikladných významech.
V nejobecnějším slova smyslu rozumíme pod pojmem hmota množinu všech hmotných (reálných, materiálních) objektů, počínaje vesmírem jako celkem a konče veškerými jeho složkami či subsystémy (galaxiemi a jejich soubory, hvězdami, planetami, organismy, sociálními systémy, fyzikálními poli, protony, kvarky atd.). Nutno zdůraznit, že v daném chápání hmota sama o sobě neexistuje, reálně existují jen hmotné objekty (stejně tak jako neexistuje sám o sobě pohyb, ale pouze pohybující se objekty, samo o sobě neexistuje myšlení, ale jen myslící mozky, neexistují ekonomická či politická soutěž, ale jen soutěžící ekonomické či politické systémy apod.).
Hmotné objekty, alespoň podle našich současných znalostí, existují ve dvou formách - jako látkové objekty (tělesa) a jako polní objekty (silová pole). Tělesa (elektrony, protony, makroskopická fyzikální tělesa, organismy, sociální systémy, hvězdy, planety) mají nenulovou, tzv. klidovou hmotnost. Fyzikální pole (elektromagnetické či gravitační) klidovou hmotnost nemají (nebo, jak se někdy ne zcela přesně říká, jejich klidová hmotnost je nulová) - o tom také ještě podrobněji dále.
S termínem hmota se ovšem můžeme setkat a často také setkáváme i v užších významech. Mluví se např. o umělé hmotě (přesnější termín by byl umělá látka - i když dnes jediný správný termín je plast), o stavební, zemní, pohonné a dokonce o šedé hmotě mozkové. Jde o zúžení významu pojmu hmota (vlastně jde o látky) či o jeho specifické používání v určitých kontextech. Nejde ale o používání termínu hmota, které by bylo zásadně chybné. Vždy se v takových případech jedná o popis hmotných objektů a termín hmota zde často zjednodušuje vyjadřování.
V souvislosti s objevem mikroobjektů, nazvaných později antičástice, se v literatuře začal používat také pojem antihmota. Antičásticí rozumíme mikroobjekt, který má ve srovnání s jiným mikrobjektem hodnoty určitých vlastností (např. hmotnosti) stejné, ale hodnoty jiných vlastností (např. náboje) jiné. Třeba antičásticí k elektronu je pozitron (nebo k pozitronu elektron). Ten má stejnou hmotnost jako elektron, má ale záporný elektrický náboj, zatímco pozitron kladný. Antihmotou jsou pak nazývány materiální objekty tvořené antičásticemi. Nutno ale zdůraznit, že antihmota není něco protikladného k hmotě (jak to možná název antihmota naznačuje a často se s takovou interpretací, obvykle v populární literatuře, můžeme i setkat), ale jedná se pouze o druh hmoty. Antičástice jsou tedy stejně hmotné (reálné, materiální), jako příslušné částice (mají energii, hybnost, hmotnost, elektrický náboj apod.).
Energie je vlastností všech hmotných objektů, tedy jak těles, tak i polí, což neplatí o hmotnosti. Energie je totiž dispozice všech materiálních objektů měnit se. Každý materiální objekt se mění, byť někdy jen nepatrně. Lze tedy říci, že má-li něco energii, pak je to hmotný objekt a naopak. Logický důsledek této hypotézy je následující - protože konceptuální objekty, takové jako pojmy a teorie, nemají energii, nejsou to hmotné objekty. Stejně tak ovšem energii nemají vlastnosti hmotných objektů. Je tudíž zavádějící mluvit např. o energii pohybu, myšlení či ekonomického vývoje. Energii má vždy pouze pohybující se těleso nebo pole, či myslící mozek nebo ekonomický systém.
Zdůrazněme znovu, že energie je vždy vlastností hmotných objektů, nikoli nějaký samostatný hmotný objekt. Opomenutí tohoto faktu v literatuře vede často k různým fyzikálně naprosto nesmyslným vyjádřením. Setkáváme se tak s tvrzeními, že hmota se mění na energii, že je ekvivalentní energii, že vesmír je složen z hmoty a energie, nebo že foton (částice elektromagnetického záření) je kvantum energie apod. Ve všech těchto případech jsou takováto nesmyslná tvrzení založena právě na mylném chápání energie jako nějakého objektu, který může existovat sám o sobě. Mimochodem, tato interpretace se vyskytuje prakticky vždy v pseudovědě a pseudotechnologiích, kde se to různými energiemi, chápanými převážně jako nějaký zvláštní druh záření, obvykle vysílaného či přijímaného pouze k tomu nadaným senzibilním jedincem, přímo hemží.
Energie je ale vždy energií materiálního objektu, tedy jeho vlastností. Tudíž hmota, nebo lépe řečeno hmotné objekty se nemohou měnit na energii, neboť žádný materiální objekt se nemůže změnit na jakoukoli ze svých vlastností a žádnou vlastnost také nelze od něj separovat (snad jen v našich představách)! Žádný hmotný objekt nemůže být též ekvivalentní s některou ze svých vlastností. Jistě by nikdo z nás vážně netvrdil, že např. automobil je ekvivalentní s jeho energií či hmotností nebo že ho lze na hmotnost či energii přeměnit. Jediné, co můžeme reálně provést, je přeměnit ho na jiné hmotné objekty. Proto ani vesmír nemůže být složen z hmotných objektů a energie, jak se můžeme v populární literatuře běžně dočíst, ale je složen pouze z hmotných objektů (těles, polí), z nichž ovšem každý má energii. A foton také není kvantum energie, jak opět často čteme v populárně vědeckých a někdy dokonce i v odborných publikacích. Je to hmotný objekt, jehož jedna z vlastností - energie - je kvantována (nabývá pouze určitých hodnot). Foton však nemá pouze energii, ale má i hybnost, spin a další vlastnosti. Nemůže být tudíž pouhým kvantem energie. Když se tedy někdy v literatuře např. tvrdí, že při srážce (anihilaci) elektronu s pozitronem (srážka částice s její antičásticí) vznikají dvě kvanta energie a že tedy pozitron a elektron jsou ekvivalentní těmto dvěma kvantům energie, je to naprosto zavádějící. Jediný správný výklad je, že při anihilaci elektronu s pozitronem vznikají dva fotony, jejichž celková energie je rovna celkové energii pozitronu a elektronu před jejich srážkou.
Setkáváme se i s tvrzením, že energie je ekvivalentní hmotnosti nebo se energie mění na hmotnost či hmotnost na energii. Dříve než se pustíme do analýzy těchto (opět značně zavádějících) vyjádření, obraťme pozornost k samotnému pojmu hmotnost. O problematice interpretace pojmu energie viz též (BUNGE, 2000) a (MARŠÁK, 2000).
Dnes se již prakticky nestává, že by byl (alespoň ve fyzikální literatuře) zaměňován pojem hmotnosti s pojmem hmoty, nebo termín hmota používán ve významu hmotnosti. Výjimky však přesto existují, a to i v renomovaných publikacích (např. FORMÁNEK, 2000, kde se v celé publikaci používá termín hmota ve významu hmotnosti a mluví se tam běžně o hmotě protonu, hmotě částice).
Hmotnost materiálních objektů je, stejně jako energie, jejich vlastností, a nemůže tudíž existovat sama o sobě. Ovšem na rozdíl od energie, která je univerzální vlastností hmotných objektů, o hmotnosti má smysl mluvit jen u látkových objektů, tedy u těles. A důvod? Ten plyne z faktu, že hmotnost m závisí, podle speciální teorie relativity, na rychlosti tělesa vůči vztažné soustavě. Hmotnost tělesa není tudíž absolutní, na vztažné soustavě nezávislá, charakteristika tělesa (jak to předpokládala klasická mechanika), ale je to vlastnost relativní (i když objektivní).V různých vztažných soustavách může být proto hmotnost tělesa různá (stejně jako jeho poloha, délka, rychlost či zrychlení). Charakteristikou tělesa, nezávislou na vztažné soustavě, se nyní stává pouze jeho tzv. klidová (vlastní) hmotnost m0, tedy hmotnost , kterou těleso nabývá, je-li vůči vztažné soustavě v klidu. Protože ale např. foton není v klidu vůči žádné vztažné soustavě, nelze mu připsat smysluplně, na rozdíl od těles, žádnou klidovou hmotnost m0. Nelze-li mu však připsat klidovou hmotnost m0, nelze mu připsat ani hmotnost m, neboť tyto dvě hmotnosti jsou spojeny známým vztahem ze speciální teorie relativity a jedna bez druhé ztrácí fyzikální smysl.
Pravda, někdy se tento problém řeší tak, že se fotonu připíše klidová hmotnost m0 rovná nule a hmotnost m = E/c2, kde E je energie fotonu a c rychlost světla ve vakuu. To je ale velmi pochybné a pouze formalistické řešení. Za prvé proto, že pokud objekt nemůže být vůči žádné vztažné soustavě v klidu, je nesmyslné mu připisovat klidovou hmotnost. Za druhé - posledně uvedený vztah mezi energií a hmotností byl odvozen ve speciální teorii relativity pouze pro objekty mající nenulovou klidovou hmotnost, a nelze ho tak neoprávněně používat pro objekty, jako je foton (i když se to běžně dělá), kde ztrácí fyzikální smysl. A za třetí, pokud připíšeme fotonu nulovou klidovou hmotnost, pak např. jeho vlastní vlnová délka, a tudíž i energie, se stávají nekonečné. Mimochodem, vztah m = E/c2 se nevyskytuje v žádné teorii pole, speciálně se nevyskytuje v teorii fotonu. Řečeno s nadsázkou, zavádět do teorie fotonu pojem hmotnosti je asi totéž jako zavádět tam pojem Karkulka. Vidíme tak, že ne každý hmotný (materiální, reálný) objekt musí mít hmotnost. Další důvod proč nezaměňovat pojem hmoty s pojmem hmotnosti.
Velmi často se můžeme v literatuře setkat s tvrzením, že energie objektu je ekvivalentní hmotnosti, či že hmotnost je ekvivalentní energii. Na vině takového chybného chápání vztahu mezi energií a hmotností je bezesporu formální interpretace vztahu m = E/c2, resp. E = mc2. Tento vztah totiž nelze vykládat jako potvrzení ekvivalence (či dokonce totožnosti) energie a hmotnosti. Jednak proto, že energie je z fyzikálního hlediska zcela jinou vlastností hmotných objektů než hmotnost, a jednak proto, že uvedený vztah platí pouze pro tělesa a nikoli pro pole. Vztah tudíž není vyjádřením ekvivalence energie a hmotnosti, ale pouze vyjádřením faktu, že energie tělesa a jeho hmotnost jsou v určitém vztahu, v daném případě jsou si přímo úměrné. Ekvivalence tak zde může být (navíc jen pro tělesa) nanejvýš kvantitativní (zvláště když se volí systém jednotek, v němž se c položí rovno jedné), ale nikoli významová, resp. fyzikální.
Vztah mezi hmotností a energií je někdy interpretován dokonce i tak, že energie tělesa se může přeměnit na jeho hmotnost či obráceně. Takový výklad je už ale naprosto chybný. Proč? Uvažme např., že energie tělesa vzrostla. Pak by ovšem, vzhledem k posledně uvedené interpretaci, měla jeho hmotnost klesnout, neboť část hmotnosti se měla přeměnit na zmíněný přírůstek energie. Ale ve skutečnosti, jak plyne ze vztahu E = mc2, při vzrůstu energie tělesa vzrostla i jeho hmotnost. K žádné přeměně hmotnosti tělesa na energii tudíž nemohlo dojít.
Vztah E = mc2 tedy nereprezentuje žádnou ekvivalenci mezi hmotností a energií, natož možnost jejich vzájemné přeměny, ale pouze souvislost mezi těmito veličinami. Je zajímavé, že např. nikdo nemluví o ekvivalenci frekvence v fotonu a jeho energie E na základě vztahu E = hv, kde h je tzv. Planckova univerzální konstanta, i když v některých soustavách jednotek se též klade Planckova konstanta rovna jedné. A už by asi nikdo vážně netvrdil, že frekvence fotonu se mění na jeho energii či naopak.
Stručně a přehledně (byť přirozeně poněkud zjednodušeně) můžeme vztah mezi výše zmiňovanými pojmy vyjádřit následujícím schématem:
fotoPoužitá literatura:
Bunge, M.: Energy: Betveen Physics and Metaphysics. Science and Education 9, s. 457-461, 2000.
Formánek, J.: Úvod do relativistické kvantové mechaniky a kvantové teorie pole. Praha: Karolinum, 2000.
Maršák, J.: Energie, teplo, teplota. Biologie, chemie, zeměpis 1, 6 - 8, 2000.
Tento materiál je publikován pod licencí Creative Commons – Uveďte původ – Neužívejte komerčně – Nezpracovávejte 3.0 ČR.