Astronomie

Qu'est-ce qui explique l'existence de l'énergie/matière si elle ne peut pas être créée ou détruite ?

Qu'est-ce qui explique l'existence de l'énergie/matière si elle ne peut pas être créée ou détruite ?

Si l'énergie/matière qui était contenue dans la singularité avant le Big Bang avait toujours existé, et s'il est vrai que l'énergie/matière ne peut pas être créée ou détruite, alors qu'est-ce qui explique son existence ?


C'est une question très compliquée !

Tout d'abord, rappelons-nous que Moïse n'a pas fait descendre la loi de conservation de l'énergie du Sinaï sur des tablettes de pierre - c'est quelque chose que nous avons observé pour l'univers aujourd'hui, et que nos théories utilisent pour faire des prédictions très précises. Mais cela ne veut pas dire que cela a toujours été vrai, et en particulier que cela était vrai assez tôt dans le Big Bang pour que nos théories actuelles ne s'appliquent pas. Nous connaître que nos théories actuelles échouent pendant l'ère Planck, par exemple.

Deuxièmement, le théorème de Noether dit que la conservation de l'énergie existe parce que les lagrangiens de masse-énergie sont à symétrie temporelle. La symétrie temporelle est une très bonne symétrie aujourd'hui dans les régions de l'espace petit par rapport à l'univers entier, mais il se peut bien qu'il y ait eu des époques où ce n'était pas le cas.

En fait, il y a probablement eu de telles époques, tout comme la symétrie temporelle n'est pas une bonne symétrie, même aujourd'hui à très grande échelle. (L'univers est en expansion, et à première vue, cela provoque une non-conservation de l'énergie.)

Troisièmement, si vous essayez de sauver la loi de conservation de l'énergie en calculant l'énergie totale de l'univers entier, y compris l'énergie gravitationnelle, un ensemble d'arguments raisonnables (les calculs d'énergie en Relativité Générale peuvent être très difficiles, car l'énergie gravitationnelle a tendance à être non -local) donne une énergie totale de zéro ! L'énergie de masse dans l'univers est exactement équilibrée par l'énergie potentielle gravitationnelle. Si cela est correct, l'énergie totale a toujours été nulle.

Mais tout cela est spéculatif ! N'oubliez pas que la vraie physique est une science expérimentale et que si vous ne pouvez pas tester une théorie, cela peut être intéressant, mais ce n'est pas de la physique.


La réponse la plus simple pourrait être que la masse/l'énergie ont toujours existé. Pour l'inflation basée sur le champ, leur éternité passée est interdite par le théorème de Borde-Guth-Vilenkin, mais, comme ce théorème ne l'interdit que dans un univers en expansion "en moyenne", ils semblent compatibles avec certaines des cosmologies rebondissantes développées plus récemment, dont la plus simple compatible avec les données CMB peut être la version entièrement relativiste de Poplawski (utilisant les fermions de la version Einstein-Cartan de GR, qui ont une étendue spatiale) du scénario du "bébé univers", dans lequel l'effondrement gravitationnel de tout La grande étoile en rotation comprend des effets de marée qui séparent initialement les particules et les antiparticules de paires virtuelles, qui sont ensuite projetées vers l'extérieur par l'énergie jusqu'à ce qu'elles soient ensuite liées par un spin particulaire, lorsque les fermions de l'étoile en train de s'effondrer se bloquent les uns contre les autres à des densités extrêmement élevées. L'univers "parental" (qui est à des échelles d'espace et de temps beaucoup plus grandes) est analogue à la peau 3-D d'un ballon de basket, et est causalement séparé par l'inertie de sa propre expansion continue, comme il aurait commencé dans un version antérieure (et à plus grande échelle) du même processus. Poplawski estime que cette cosmologie requiert un sens de rotation prévalent, elle est donc falsifiable et par conséquent scientifique, aussi marginale que puisse être cette prévalence. (Ma lecture de la notation physique est très limitée, je me suis donc appuyé sur son verbiage anglais pour certaines des déductions que j'ai faites ici.)


L'énergie ne peut pas être créée. Alors d'où est-ce que tout cela vient?

Eh bien, que le citoyen soit un bon citoyen, mais cela n'a rien à voir avec la science. Et faire de telles déclarations peut être contre-productif car vous faites en sorte que ces personnes se sentent sur la défensive au lieu de les éduquer et de les aider à comprendre que la science n'est pas là pour détruire leur foi. Si vous faites un effort actif pour le faire (en pensant que c'est le problème), vous ne ferez que les repousser. Je sais, j'ai enseigné les sciences dans une école paroissiale, et je n'y suis plus employé pour cette raison même même si j'étais sympathique à beaucoup de leurs points de vue. Cependant, je suis un partisan de la ligne dure lorsqu'il s'agit de « laisser la science parler d'elle-même », et ils n'ont pas trop apprécié cette approche. Leurs avoir une vision très boisée/littéraliste de la bible, et se ranger du côté/de la politisation et du wagon de bande de la droite chrétienne est le problème. Une vision théologique du monde ne va pas faire obstacle à une bonne science et à une bonne gestion de notre planète, mais un fossé supplémentaire et une guerre des cultures le feront.

Eh bien, l'article que j'ai posté peut généralement être considéré comme un article public. il contient de bons éléments car il contient des extraits des articles qu'il a examinés et c'est la seule raison pour laquelle j'ai eu le pouvoir de l'envoyer ici.
En général, je ne suis pas citoyen américain donc je ne voulais pas essayer de montrer "de cette façon" par rapport à l'autre.

Je pense que je n'ai pas été clair dans la section que vous avez citée dans le dernier message. Je suis d'accord - qu'il faut connaître la science pour être un bon citoyen. Je suis professeur de sciences après tout. Je dis juste - ne faites pas de science avec un programme. Cela peut colorer l'interprétation de vos résultats. C'est vrai des deux côtés de l'île. Je vais le terminer ici. Désolé d'avoir détourné le post.

Quelqu'un m'a posé cette question : Si l'énergie ne peut pas être créée alors d'où vient l'Univers ?
Existe-t-il des sites Web, des articles ou des documents concernant cette question, réponse ?
La première loi de la thermodynamique qui est une version de la loi de conservation de l'énergie, adaptée aux systèmes thermodynamiques. La loi de conservation de l'énergie stipule que l'énergie totale d'un système isolé est une énergie constante qui peut être transformée d'une forme à une autre, mais ne peut pas être créé ou détruit.

J'ai fait des recherches sur tous les processus thermodynamiques en vain.

C'est une théorie, pas nécessairement un fait. L'énergie ne peut pas être créée dans cet univers, mais les lois de la physique peuvent ne pas s'appliquer à un autre "univers" ou "dimension", par exemple, un univers crée de l'énergie et il pourrait être "téléporté" à travers les univers et les dimensions vers notre univers en utilisant la théorie quantique (une substance étant en deux endroits à la fois). L'univers dans lequel l'énergie peut être créée n'existerait techniquement pas, mais il peut exister puisque nos lois de la physique dans cet univers ne correspondent pas à cette dimension particulière.
Quant à l'univers en cours de création, un point de vue serait que l'énergie s'était infiltrée à travers une sorte de barrière (en gardant les deux dimensions séparées) Comme Michael (Vsauce) l'a dit à la fin d'une de ses vidéos, il a expliqué que personne ne sait que se passerait-il si vous atteigniez le "milieu du trou noir", et que les particules "disparaissent" simplement en violation de toutes les lois de la physique, ce qui pourrait expliquer comment l'énergie est arrivée dans notre univers, avec la matière, l'antimatière, la matière noire, etc. Michael suggérant qu'elles disparaîtraient pourrait être la façon dont ces substances sont arrivées, à travers une "rupture" dans l'espace-temps en raison de l'immense gravité et d'une entrée dans une autre dimension, où toutes nos lois de la physique et de la thermodynamique ne fonctionneraient pas. Cette théorie a besoin de travail pour expliquer comment s'est formée cette coupure dans l'espace-temps, puisqu'un trou noir a besoin de matière pour se créer. Beaucoup de problèmes, mais toujours intriguant.

C'est aussi loin que j'en ai. J'espère avoir fait la lumière sur cette "matière" (compris ? matière ? mauvais jeu de mots) Merci !


Passez à 6h00 et regardez à partir de là. C'est très intéressant.

La théorie quantique ne dit pas cela. Lorsque les gens parlent de « téléportation quantique », ils veulent simplement dire « téléportation » d'un état quantique où aucune énergie ou matière réelle n'est téléportée.

Je ne pense pas que les physiciens croient plutôt cela, ils croient que la RG, en tant que théorie, doit s'effondrer avant que la singularité au centre du trou noir ne soit atteinte. L'opinion dominante semble être que nous comprendrons mieux ce qui se passe alors lorsque nous aurons une théorie exploitable de la gravité quantique.

Il y a en quelque sorte une hypothèse spéculative selon laquelle des bébés univers pourraient être créés au centre des trous noirs, et que ce serait ce qui empêcherait une réelle singularité de s'y former (au lieu de disparaître, la matière et l'énergie qui tomberaient dans la singularité entrent dans l'univers du bébé). Notre propre univers, selon cette spéculation, aurait pu être formé de la même manière, comme un bébé univers engendré à partir d'un trou noir dans un autre univers.

Cependant, il n'est pas vraiment correct d'appeler cela une "rupture dans l'espace-temps" l'espace-temps lui-même serait continu tout au long du processus. Il n'est pas non plus vraiment correct d'appeler le bébé univers « une autre dimension », il ferait toujours partie d'un espace-temps global en 4D qui contenait notre univers et tous les autres univers qui avaient été engendrés. (Il est parfaitement possible que les univers ne puissent pas communiquer entre eux et fassent toujours partie d'un seul espace-temps global en 4D un espace-temps en 4D peut être très grand et peut avoir n'importe quel nombre, même infini, de causalité limites.) Que les lois de la physique puissent ou non changer au cours du processus dépend des spéculations que vous examinez. En tout cas, tout cela est purement spéculatif, nous n'avons aucun moyen de tester quoi que ce soit maintenant ou dans un avenir prévisible.

J'ai lu un rapport scientifique d'une institution respectée concernant la création de l'univers. Le rapport s'est concentré sur un jet de sortie de quasar comme début. Cela semble plus rationnel que certaines théories du big bang ou la théorie de l'inflation cosmique d'Alan Guth (plus rapide que la lumière ?). J'aime l'idée du Quasar, la plus grande structure de l'Univers au tout début. Si nous devons écrire des programmes à l'intérieur de programmes, nous devons commencer quelque part (simulation générée par ordinateur).

Je pense que Doug Huffman, le physicien quantique a raison. Ne croyez rien lu ou entendu sans le vérifier par vous-même.

Pouvez-vous créer un lien vers le rapport que vous avez lu ? Le lien vers l'article populaire que vous avez fourni n'a aucun rapport (concerne la création de paires).

Un autre point de vue est que l'univers est le déjeuner gratuit ultime :
http://en.wikipedia.org/wiki/Zero-energy_universe


J'aime mieux celui-ci, mais c'est ne pas mon point de vue personnel.


Ce point de vue est encore meilleur. mais c'est toujours pas mon point de vue personnel.

Mais pourrait, peut-être, conduire à cela. qui ferait sucer gros temps. MDR

C'est pour qui la palourde est responsable. L'énergie ne peut pas être créée. Alors d'où est-ce que tout cela vient?

C'est ma vue personnelle.

Pourquoi l'énergie ne peut-elle pas être créée?

Comme je l'ai mentionné, la raison en est le théorème de Noether - mais cela ne s'applique pas lorsque les symétries des référentiels inertiels sont brisées. Lorsque cela se produit, il n'y a aucune raison pour qu'il soit conservé.

Je crois que c'est - mais ça veut dire s'accroupir.

Pourquoi l'énergie ne peut-elle pas être créée?

Lol, Bill. Vous n'êtes pas un fan de Star Trek. ?

Publication bâclée de ma part. Je vais changer un peu la formulation.

C'est pour qui la palourde est responsable. l'énergie peut être créée, et je l'ai créée ! !

Q a créé le Univers, Facture. Je suis sur et certain. bien, un peu. . MDR

Dans le modèle le plus simple, où le bébé univers est engendré à la place de la singularité au centre d'un trou noir éternel dans l'univers précédent, oui, il devrait en principe être possible pour la matière de l'univers précédent de continuer à tomber dans le trou noir pour toujours (en ce qui concerne l'univers précédent - voir ci-dessous), et pénétrant ainsi dans notre univers.

Cependant, cela ne signifie pas que la matière « apparaîtra » continuellement dans notre univers. Du point de vue de notre univers, tout ce qui tombe dans le trou noir de l'univers antérieur, quelle que soit l'heure qui se produit dans l'univers antérieur, apparaîtrait dans le Big Bang de notre univers. "Le temps" n'est pas le même dans les deux univers.

Comme le dit le deuxième article lié à Bandersnatch, cela dépend de la façon dont vous définissez "energy" et comment vous définissez "conserve". Ces termes ne sont pas aussi simples que vous et l'article que vous avez lié semblent le croire.

Je recommande fortement de lire les deux liens de Bandersnatch, mais l'erreur fondamentale de l'article auquel vous avez lié est de supposer que « l'énergie potentielle gravitationnelle » est un terme bien défini pour l'univers dans son ensemble. Ce n'est pas le cas, il n'est bien défini que dans un espace-temps stationnaire, et l'univers n'est pas stationnaire parce qu'il est en expansion. (Le premier article auquel Bandersnatch est lié entre dans les détails.) Ainsi, l'analogie que l'article fait entre l'analyse des orbites des satellites autour de la Terre et l'analyse de l'univers dans son ensemble n'est pas vraiment valable.

Il s'avère que, pour un univers fermé, vous pouvez affiner ce point en trouvant un moyen de définir "l'énergie potentielle gravitationnelle" qui fonctionne de manière suffisamment similaire au scénario du satellite en orbite pour rendre l'analogie valide. Cependant, notez que j'ai dit " univers fermé ", l'article auquel vous avez lié le dit aussi. Selon notre meilleur modèle actuel, notre univers actuel n'est pas fermé, donc cette sortie ne fonctionne pas.

D'ailleurs, je dois souligner que je suis en accord avec le désir de l'auteur de l'article auquel vous vous êtes lié, de ne pas donner aux personnes religieuses une excuse pour dire que la théorie du Big Bang exige que quelque chose soit créé à partir de rien. Mais il y a une façon beaucoup plus simple de faire cela, que l'article ne mentionne pas : faites remarquer que la loi de conservation de l'énergie est en réalité une loi locale, pas une loi globale : elle dit que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite. dans n'importe quel petit volume d'espace-temps. Nos théories actuelles obéissent à cette loi : dans la Relativité Générale elle apparaît comme une identité, l'identité de Bianchi, à laquelle obéit l'Equation de Champ d'Einstein.

"Je dirai ceci : si l'univers est infiniment grand, alors la réponse est simplement qu'il ne s'étend pas dans n'importe quoi au lieu de cela, ce qui se passe, c'est que chaque région de l'univers, chaque distance entre chaque paire de galaxies, est " étirée ", mais la taille globale de l'univers était infiniment grande au départ et continue de rester infiniment grande au fil du temps, donc la taille de l'univers ne change pas, et donc il ne s'étend en rien. Si, d'un autre côté, l'univers a une taille finie, alors il peut être légitime de prétendre qu'il y a quelque chose "en dehors de l'univers" dans lequel l'univers s'étend. Cependant, parce que nous sommes, par définition, coincés dans l'espace qui constitue notre univers et n'avons aucun moyen d'observer quoi que ce soit en dehors de celui-ci, cela cesse d'être une question à laquelle on peut répondre scientifiquement. Donc, la réponse dans ce cas est que nous ne savons vraiment pas dans quoi, le cas échéant, l'univers s'étend. Bien. Nous avons 2 "scénario" selon les données. 1 est extrêmement plat et l'autre est (très) légèrement incurvé -- sphère, selon la forme. Il peut être fini ou infini.

Merci Pierre pour votre aimable réponse.

Nous semblons essayer de saisir ce qui est intrinsèquement incompréhensible à nos processus de pensée actuels.

Pas un instant je ne prétends comprendre ce qui se passe, mais j'en suis venu à sentir que nous ne voyons pas l'espace tel qu'il est réellement et que nous ne l'interprétons pas correctement.

Je crois qu'il n'y a pas de « chose » telle que la matière sous quelque forme que ce soit, nulle part, ou qu'il n'y en ait jamais eu.

Alors où d'ici ? Je ne sais pas.

La théorie quantique ne dit pas cela. Lorsque les gens parlent de « téléportation quantique », ils veulent simplement dire « téléportation » d'un état quantique où aucune énergie ou matière réelle n'est téléportée.

Je ne pense pas que les physiciens croient plutôt cela, ils croient que la RG, en tant que théorie, doit s'effondrer avant que la singularité au centre du trou noir ne soit atteinte. L'opinion dominante semble être que nous comprendrons mieux ce qui se passe alors lorsque nous aurons une théorie exploitable de la gravité quantique.

Il y a en quelque sorte une hypothèse spéculative selon laquelle des bébés univers pourraient être créés au centre des trous noirs, et que ce serait ce qui empêcherait une réelle singularité de s'y former (au lieu de disparaître, la matière et l'énergie qui tomberaient dans la singularité entrent dans l'univers du bébé). Notre propre univers, selon cette spéculation, aurait pu être formé de la même manière, comme un bébé univers engendré à partir d'un trou noir dans un autre univers.

Cependant, il n'est pas vraiment correct d'appeler cela une "rupture dans l'espace-temps" l'espace-temps lui-même serait continu tout au long du processus. Il n'est pas non plus vraiment correct d'appeler le bébé univers « une autre dimension », il ferait toujours partie d'un espace-temps global en 4D qui contenait notre univers et tous les autres univers qui avaient été engendrés. (Il est parfaitement possible que les univers ne puissent pas communiquer entre eux et fassent toujours partie d'un seul espace-temps global en 4D un espace-temps en 4D peut être très grand et peut avoir n'importe quel nombre, même infini, de causalité limites.) Que les lois de la physique puissent ou non changer au cours du processus dépend des spéculations que vous examinez. En tout cas, tout cela est purement spéculatif, nous n'avons aucun moyen de tester quoi que ce soit maintenant ou dans un avenir prévisible.

Vous avez tout à fait raison. Comme vous l'avez dit, c'est entièrement spéculatif et je n'ai aucune preuve réelle de cette théorie, mais c'est quelque chose d'intéressant à penser. Là encore, avec la quantité d'espace de l'univers et la façon dont il s'agrandit, avec l'univers à des mètres de diamètre, même l'impossible serait certain, car la quantité de planètes, etc., réduirait le rapport de possibilité à un niveau tel qu'il deviendrait 1 :1. (Quelle bouchée !) Imaginez qu'une chance d'avoir une planète EXACTEMENT telle qu'elle est lorsque vous lisez ceci était de 1:10000000*10, et chaque planète de l'univers vaut une unité, si vous aviez 1000000*10 planètes, alors il était impossible de ne pas avoir une Terre exacte là-bas, mais bien sûr, nous ne vivrions pas aussi longtemps pour savoir s'il y en avait ou non parce que le soleil exploserait. :D Donc, techniquement, au fur et à mesure que le temps passe et que l'univers grandit, la possibilité d'avoir un trou noir qui a un assez grand "trou" qui peut être entré et testé serait certaine. Encore une fois, tout cela est extrêmement spéculatif, donc ce n'est pas nécessairement un "fait"

Mais, c'est quand même très intéressant d'y penser !
Merci Pierre pour votre contribution.


Qu'est-ce qui explique l'existence de l'énergie/matière si elle ne peut pas être créée ou détruite ? - Astronomie

Une réaction chimique ne crée ni ne détruit de matière, elle déplace simplement des électrons d'un atome à un autre, mais ne modifie pas le noyau des atomes.. La masse totale de la matière reste une constante dans tout changement chimique. La masse totale de la matière peut changer au cours d'une réaction nucléaire, la perte de masse peut se convertir en énergie, ce qu'on appelle la puissance nucléaire. Donc on peut dire qu'une réaction nucléaire crée/détruit de la matière, si on définit la matière seulement comme sa masse.

Si nous définissons la matière comme la masse plus l'énergie, alors même une réaction nucléaire change la matière du tout : la somme de la masse et de l'énergie ensemble reste une constante pendant une réaction nucléaire. En fait, la définition la plus générale de la matière devrait inclure la masse, l'énergie et aussi l'information. La seule façon possible d'annihiler définitivement la forme la plus générale de matière telle que définie ci-dessus, est de jeter de la matière dans un trou noir, et après que le trou noir « s'évapore » (les trous noirs s'évaporent, ce qui a d'abord été étudié par Stephen Hawking), ces la matière peut disparaître de notre univers. Mais ce n'est pas un sujet entièrement compris, les scientifiques travaillent toujours dur pour comprendre la relation entre le trou noir et l'information.

La fameuse équation d'Einstein, E = mc 2 , est souvent interprété comme signifiant que la masse peut être convertie directement en énergie. Cependant, une meilleure interprétation est que la masse est une forme d'énergie – à moins que cette énergie de masse ne soit convertie en une nouvelle forme (comme l'énergie thermique), alors elle doit être conservée, tout comme le reste de l'énergie du système.

Par définition, la masse est conservée lors d'un changement chimique - aucune matière n'est créée ou détruite, mais la matière est réarrangée en de nouvelles structures aux propriétés différentes. Cependant, l'énergie est stockée dans les liaisons entre les atomes, de sorte que l'énergie peut être libérée ou convertie lors d'un changement chimique. Par exemple, la combustion du bois est une réaction chimique d'hydrocarbures avec de l'oxygène qui crée du dioxyde de carbone, de l'eau et beaucoup d'énergie thermique. D'autres réactions nécessitent de l'énergie thermique pour former de nouvelles liaisons, comme le carbonate de calcium (craie) qui peut être chauffé pour devenir de l'oxyde de calcium et du dioxyde de carbone. Pour les deux types de réactions, la masse des matières premières et des produits finis est le même. -11 Joules d'énergie. Si vous augmentez cela par mole d'uranium, le processus libère 1,811 x 10 10 kJ/mol d'U-235 sous forme de chaleur – qui est cent millions de fois supérieure à une réaction chimique typique, comme la combustion d'hydrogène (4,84 x 10 2 kJ/mol).

Heureusement, cette échelle de conversion masse-énergie est rare et peu susceptible de se produire sans des conditions extrêmes, comme celles d'un réacteur nucléaire ou dans une étoile.

Remarque de ScienceLine :
le joule, symbole J, est une unité d'énergie dérivée dans le système international d'unités.

Sorte de. L'énergie et la masse sont des entités équivalentes régies par les lois de la relativité restreinte. L'énergie ne peut être créée ou détruite par aucun moyen, chimique ou autre cependant, il peut être transformé d'un état (par exemple la matière) à un autre (par exemple la chaleur). Ainsi, par exemple, si vous brûlez de l'hydrogène et de l'oxygène ensemble pour produire de l'eau et de la chaleur, l'eau aura une masse très légèrement inférieure à celle des réactifs que vous avez brûlés pour l'obtenir.

Ce changement de masse dans les réactions chimiques, cependant, est si petit qu'il est difficile à mesurer. En réalité, seules les réactions nucléaires peuvent être mesurées en termes de réactifs pesant plus que de produits (c'est pourquoi les réactions nucléaires sont si puissantes).

La matière ne peut pas être créée ou détruite dans une réaction chimique, elle est réarrangée. Le nombre de chaque élément différent reste le même. Pourtant, après la réaction, un élément peut être lié à un élément différent de celui auquel il était lié avant la réaction. C'est-à-dire qu'au cours du processus de réaction chimique, certains anciens liens sont rompus et de nouveaux liens sont créés. Une réaction chimique crée des composés différents des réactifs.


L'athéisme frappe un mur de briques : La première loi de la thermodynamique

La première loi de la thermodynamique affirme que la matière ou son équivalent énergétique ne peut être ni créé ni détruit sous circonstances naturelles. 1 L'un des résultats logiques de cette loi est qu'il n'y a aucune nouvelle matière ou énergie n'apparaissant nulle part dans l'univers, ni aucune matière annihilée. Toute la matière et l'énergie de l'univers sont conservées. Par conséquent, cette loi est souvent appelée la loi de la conservation de la masse et de l'énergie. Bien que la matière ne puisse être ni créée ni détruite, elle peut être convertie d'un état à un autre, c'est-à-dire d'un liquide à un gaz, de liquide à solide, de solide à gaz. L'expérience écrasante de la physique expérimentale confirme que cette première loi est un fait. Comme nous le verrons, cette loi a d'énormes implications quant à l'origine de la matière dans notre univers.


Désintégration du proton

Les protons sont des particules chargées positivement qui résident dans le noyau de chaque atome. Chaque proton est constitué d'au moins trois quarks. Pendant des décennies, on a supposé que les protons étaient éternellement stables. Cependant, les physiciens croient maintenant que les quarks se désintègrent en antiquarks, en pions et en électrons positifs, et en rayonnement électromagnétique. 2 Ce processus de désintégration se produit à un taux d'une seule fois par proton tous les 10 32 ans. Par conséquent, puisque ce processus est irréversible, tous les atomes de l'univers finiront par se désintégrer en matière irrécupérable. Même si ce processus de décomposition prendra énormément de temps, il n'est pas infini.


L'évolution et la première loi

Les sceptiques se moquent souvent du récit biblique de la création car il invoque un événement surnaturel pour l'origine du temps, de l'espace et de la matière. Pourtant, si nous recherchons le domaine de la cosmologie au cours des cent dernières années, nous constatons que les théories sur le "Naturel" (par opposition à surnaturel) l'origine de la matière sont rares. Il n'y a que deux options pour l'origine de la matière : elle est soit éternelle, soit elle est apparue à un point fini dans le passé. Avec l'élucidation de la première loi de la thermodynamique, les implications de ce débat, comme nous le verrons, ont été clairement définies.

Face à l'évidence d'un univers fini et en expansion, les cosmologistes ont commencé à chercher un moyen de sauver l'existence d'un univers éternel. Dans les années 40, Hermann Bondi, Thomas Gold et Fred Hoyle ont proposé un mécanisme qui permettrait au expansion l'univers est encore infiniment vieux 3,4 Ce modèle pour l'univers, appelé "Modèle d'état stable", affirme qu'à mesure que l'univers s'étend, les atomes d'hydrogène apparaissent spontanément de rien dans les profondeurs de l'espace. Le résultat est que l'univers apparaît à peu près le même (dans un "état stable") à tous les âges.

Au cours des quarante dernières années, ce modèle de l'univers a été discrédité par un certain nombre de découvertes scientifiques. Le premier d'entre eux est lié à l'âge des galaxies. Si l'univers est infiniment ancien, nous devrions nous attendre à trouver des galaxies de tous âges. Cependant, des décennies d'observations révèlent que toutes les galaxies visibles dans notre univers sont "d'âge moyen". Deuxièmement, il n'y a pas de mécanisme physique (naturel) pour l'origine spontanée des atomes d'hydrogène. En fait, on n'a jamais observé que des atomes d'hydrogène apparaissent spontanément n'importe où dans l'univers. 5 Troisièmement, la loi d'inertie d'Isaac Newton déclare qu'un corps au repos restera au repos à moins qu'une force extérieure n'agisse dessus. Dans le modèle d'état stable, il n'y a aucun mécanisme pour expliquer le mouvement des galaxies.

La première loi de la thermodynamique est appelée une "loi" parce que, dans les limites de l'observation scientifique, elle a été prouvée vraie au-delà de tout doute raisonnable. En effet, la Première Loi déclare que vous et moi ne pouvons ni créer ni détruire la matière. Par conséquent, il s'ensuit que si quelque chose qui existe (vous et moi) ne peut pas créer de matière, alors quelque chose qui n'existe pas ne peut pas non plus la créer !

La matière ne peut pas se créer elle-même et, dans le monde réel, ne peut pas naître de rien. Dans les limites de la loi naturelle, tous les effets doivent avoir une cause. 6 De ce fait, l'apparition spontanée d'atomes d'hydrogène à partir de rien (Ex nihilo création) est une violation définitive de la première loi de la thermodynamique qui affirme que la matière, sous Naturel circonstances, ne peut être ni créé ni détruit. Par conséquent, puisque ce n'est pas un événement naturel, c'est par définition un événement surnaturel, un miracle ! C'est, à notre avis, un point de départ plutôt faible pour le début d'un scénario matérialiste.

Pour éviter cette conclusion, un certain nombre de physiciens ont proposé que les lois de la physique soient différentes ailleurs dans l'univers. 7 Cependant, cette affirmation n'est pas étayée par la moindre preuve scientifique. De tels appels révèlent jusqu'où certains iront pour éviter un commencement fini pour l'univers.

Puisque la matière n'est pas éternelle, il ne nous reste qu'une seule option : elle est née de rien à un point fini du passé ! Ironiquement, le matérialiste scientifique qui soutient que toute la matière dans l'univers est née de rien est d'accord avec le créationniste biblique. Cependant, les créationnistes bibliques admettent volontiers que l'apparition de la matière à partir de rien était un miracle, accompli par une « Cause Première » qui transcende l'univers physique. Le scientifique matérialiste, qui croit, comme le fait Carl Sagan, que « le Cosmos est tout ce qui est, a jamais été ou sera jamais », est forcé de conclure que l'œuf cosmique est né du néant en dehors de tout agent causal.

L'athée proteste immédiatement : « Si Dieu a créé l'univers, alors qui a fait Dieu ? » La Bible indique que Dieu est un Esprit éternel et transcendant. 8 Par conséquent, parce que le temps est lui-même une propriété physique de l'univers que Dieu a créé, alors les questions sur l'origine de Dieu n'ont pas de sens. C'est parce que Dieu existait avant le temps et qu'il n'est donc pas soumis à des concepts limités dans le temps tels que la naissance et la mort. Il est hors du temps !

De plus, parce que Dieu a toujours existé avant la création de l'univers et des lois qui le régissent, il n'y est pas non plus soumis. Cela signifie que Dieu n'a jamais été « jeune » et qu'il ne vieillit pas comme le dicte la deuxième loi. Il est en dehors de notre domaine spatio-temporel et en dehors des effets du vieillissement.

Au début du scénario de l'athée, il y a une question tout aussi difficile. "Qui ou qu'est-ce qui a fait cette boule de matière qui a explosé dans le Big Bang?" La réponse est que l'œuf cosmique s'est fait lui-même, ce qui est impossible sur la base de la loi naturelle.

Ainsi, au début de chaque modèle d'origines, nous avons des questions sans réponse. Les athées peuvent alors faire valoir qu'ils sont des points de départ égaux. Mais le sont-ils ?

Le modèle du créationniste commence par un Créateur infiniment intelligent, omnipotent et transcendant qui a utilisé une conception, une expertise ou un savoir-faire intelligents pour tout créer, des particules subatomiques aux séquoias géants. Était-ce un miracle ? Absolument!

Genèse 1:1, "Au commencement (temps), Dieu créa les cieux (espace) et la terre (matière)."

Le modèle de l'athée commence par un miracle encore plus impressionnant - l'apparition de toute matière dans l'univers à partir de rien, par personne et sans raison. Un événement surnaturel. Un miracle! Cependant, l'athée ne croit pas à la "Cause Première" extérieure ou transcendante que nous appelons Dieu. Par conséquent, l'athée n'a pas d'"explication naturelle" ni d'"explication surnaturelle" pour l'origine de l'espace-temps et de la matière. Par conséquent, le scénario athée sur l'origine de l'univers nous laisse dans une position totalement insatisfaisante. Il commence son modèle par un événement surnaturel. Cet événement surnaturel, cependant, est accompli sans un agent surnaturel pour l'accomplir.
Les références

Missler, Chuck, Eastman, Mark, M.D. "Le créateur au-delà du temps et de l'espace", The Word for Today 1996, p.12-17

Références Chuck Missler et Mark Eastman M.D. :

-1. Contrairement aux circonstances surnaturelles

-2. James S. Treifel, "Le moment de la création", Scribner's and Son. p 141-142

-3. H. Bondi et T. Gold, "The Steady State Theory of the Expanding Universe," Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 108:252-270 (1948).

4. Fred Hoyle, "A New Model for the Expanding Universe" Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 108:372-382 (1948).

-5. Pour une discussion détaillée, voir Gerald Schroder, "Genesis and the Big Bang, Chapter 4. Bantam Books, 1990.

-6. Dans le domaine de la mécanique quantique, certaines particules sont apparemment apparues spontanément à la suite d'une "fluctuation quantique". Cependant, elles s'annihilent rapidement.

-7. Fred Hoyle a proposé que la création continue de matière soit considérée comme une loi naturelle elle-même. Il a inclus une constante de création dans la théorie de la relativité d'Einstein.


La science prouve l'existence de Dieu

Aucun de nous n'a physiquement vu Dieu, ni ne l'avons vu interagir avec ce monde d'une manière qui puisse être vérifiée scientifiquement. Alors, comment pouvons-nous utiliser la science pour prouver qu'il existe un Être suprême ou un Dieu dont les pouvoirs sont inimaginables et dont l'existence transcende le temps et l'espace ?

Modern society has produced Secular Christians who generally walk the path of life with little more than “blind faith.” They are led to this belief system that Christianity is based entirely on feeling, and the concept of God has mere existence in the mystical realm of faith and has no basis in facts.

But if this is the case, then how are we as Christians supposed to convince Atheists and unbelievers to the reality that God exists?

Atheists and the contemporary scientific community would have you think that God and science are polar opposites. But nothing could be further from the truth. God has not left us in doubt concerning His existence. On the contrary, He has provided us with more than enough evidence that the position of Atheists looks untenable.

In this article, we will have a brief look at some scientific facts which strongly imply the existence of God. It will also become evident that Atheism is unscientific and illogical.

God and Science

Contrary to popular belief, God and Science are not irreconcilable diametric opposites, but rather, they are in perfect harmony because a truly scientific study of this topic will lead to the evidence that proves the existence of God.

And now read Romans 1:20 to see the proof that God gives of His existence.

Can you see the similarity between the definition of science and the approach that God wants us to use to determine His existence?

God is telling us that the best way to know about Him is through the scientific study of His creation!

Now, this is excellent advice from God because the best way to understand the origin of the universe is to study it scientifically.

God and The Laws Of Thermodynamics

The Laws of Thermodynamics are the most fundamental laws of physics. They have been tested numerous times and have always proved to be valid.

Thermodynamics (from two Greek words meaning ‘heat power’) is the science dealing with the conversion of heat and other forms of energy into work. The Laws of Thermodynamics explain the fundamental behavior of matter and energy and are essential to understanding why the universe works the way it does.

In other words, the very fabric of the universe is governed by these laws!

The First Law of Thermodynamics

Also known as The Principle of Conservation of Energy, the law states that in a closed system, “Energy or Matter can neither be created nor be destroyed but rather can only be transformed from one form to another.”

This law is one of the most fundamental laws of Physics and all, physical, biological, and chemical processes in the universe are subject to this law.

E.g., If you burn a piece of wood to generate heat, it may appear that the matter in the wood has been destroyed. This is not true, the atoms that made up the wood are still there. They were merely transformed into ash, soot, smoke, and heat.

If we were to weigh all the remnants and by-products produced as a result of burning the wood, we would find that the weight would be the same as the original piece of wood. You might think that maybe by burning the wood, we created new heat energy, but this is also not true. It already had chemical potential energy preexisting within it, which just got converted into heat energy.

Therefore by burning the wood, no new energy was created or lost from the universe, it was just transformed from one form to another.

Implications of the First Law of Thermodynamics

The implications of this law are far-reaching. Endless studies and experiments have confirmed its validity repeatedly under a multitude of different conditions and the results have always agreed. Therefore this law is unquestionably accepted as a universal fact by all scientists.

From this law, the following conclusions can be drawn:

  • The total amount of energy and matter in this universe is constant.
  • Natural processes cannot create themselves nor arise from nothing.

So where did all the matter and energy come from?

Contemporary scientists and atheists claim that the universe was created by the Big Bang. According to the Big Bang theory, all matter including stars, planets, galaxies, etc. and all energy such as heat, nuclear, and chemical energy came into existence at the Big Bang. And according to the same scientists, there was no matter or energy in before the big bang.

This violates all the known laws of physics, including the first law of thermodynamics. Remember, energy and matter cannot be created, so the “scientific” theory of the Big Bang contradicts the most fundamental law of Physics.

The universe has a seemingly infinite quantity of energy and matter. But where did all of this come from in the first place?

Scientists today admit that they don’t have an answer. But I would like to suggest that the only logical and plausible explanation is that this energy and matter were introduced into this universe from an external source or entity. This entity has to be very large, powerful, and capable to provide almost unimaginable energy and matter to bring the universe into existence.

Therefore science and the first law of thermodynamics require and prove the existence of God.

The First Law of Thermodynamics mentioned in the Bible

Yes, you read that right, it is not a typo. All the laws of nature were created by God. So it should come as no surprise that you can find many of the laws of nature mentioned in the Bible thousands of years before man discovered them.

2 And on the seventh day God ended his work which he had made and he rested on the seventh day from all his work which he had made.

The Second Law of Thermodynamics

In essence, it states that the amount of usable energy in the universe is decreasing as time passes, i.e., entropy or disorder in the universe is increasing with time.

The second law of thermodynamics is one of the most fundamental laws of nature, having profound implications because it predicts that the universe has a bleak future. One day the universe is going to end up in a “heat death.”

Note: Entropy is a measure of the energy not available for useful work.

Let us understand this from an example. Right now, as I am typing away sitting in a cozy room, I have a very hot cup of coffee sat next to me. If I wait for another 10 minutes, what is going to happen to it? Will it become warmer or colder?

The answer is it is going to become colder. Et pourquoi est-ce que? This is because my coffee is going to transfer its heat to the colder air in my room. The total energy in the room has not been lost (This is because of the first law of thermodynamics) but simply has escaped into the air, slightly warming it up in the process. But this heat energy of the coffee has been lost and is no longer usable. That is for all intents and purposes, there has been a “heat death” in the room.

Now imagine this on the enormous scale of the universe. Imagine stars to be hot cups of coffee and the universe to be a closed system like the room. Heat energy from these stars is slowly but surely being lost and is being converted into unusable energy. In other words, our universe is slowly winding down like a clock.

But if the universe is winding down like a clock, then it cannot have been eternally existing (even the big bang theory admits a beginning for the cosmos), and more importantly, someone has to have wound up the universe to cause it to come into existence.

Therefore, the second law of thermodynamics demands that the universe had a beginning. And since entropy increases with time, the universe should have started out in the most perfectly ordered state or, in other words, close to zero entropy.

Because energy is required to maintain low entropy, and we know from the first law of thermodynamics that this energy cannot have come from within the universe.

Well known physicist, Sir Roger Penrose calculated that the probability of our universe starting out at very low entropy just by pure chance is :

to one. It means ten raised to an exponent of:

It is hard even to imagine how big this number is. It’s 10 followed by 43 zeros times larger than the entire atoms in the universe!

We know that our universe started out at very low entropy and scientists admit that the possibility of this happening out of natural means is almost zero!

Folks we are left with only one other option, the universe was created by someone.

Therefore science and the second law of thermodynamics prove the existence of God who created this universe in its most stable and perfectly unchaotic state.


All matter is essentially condensed energy and all energy “has mass” when bound to a system.

Even though they are equivalent and able to “convert” into each other without losing or gaining total mass-energy, energy and mass aren’t exactly the “same”. You can think about it like this, energy is the fundamental building block of everything in the universe and all energy “has mass” when bound to a system.

That said, this is semi-laymen speak, science differentiates between mass and energy in a number of complex and subtle ways. Given the technical aspect you should not try to divide mass and energy, rather you should be like Einstein and simply say “mass-energy” to talk about both properties as a whole.


What is the second law of thermodynamics?

T hermodynamics is the study of heat and energy. At its heart are laws that describe how energy moves around within a system, whether an atom, a hurricane or a black hole. The first law describes how energy cannot be created or destroyed, merely transformed from one kind to another. The second law, however, is probably better known and even more profound because it describes the limits of what the universe can do. This law is about inefficiency, degeneration and decay. It tells us all we do is inherently wasteful and that there are irreversible processes in the universe. It gives us an arrow for time and tells us that our universe has a inescapably bleak, desolate fate.

Despite these somewhat deflating ideas, the ideas of thermodynamics were formulated in a time of great technological optimism – the Industrial Revolution. In the mid-19th century, physicists and engineers were building steam engines to mechanise work and transport and were trying to work out how to make them more powerful and efficient.

Many scientists and engineers – including Rudolf Clausius, James Joule and Lord Kelvin – contributed to the development of thermodynamics, but the father of the discipline was the French physicist Sadi Carnot. In 1824 he published Reflections on the Motive Power of Fire, which laid down the basic principles, gleaned from observations of how energy moved around engines and how wasted heat and useful work were related.

The second law can be expressed in several ways, the simplest being that heat will naturally flow from a hotter to a colder body. At its heart is a property of thermodynamic systems called entropy – in the equations above it is represented by "S" – in loose terms, a measure of the amount of disorder within a system. This can be represented in many ways, for example in the arrangement of the molecules – water molecules in an ice cube are more ordered than the same molecules after they have been heated into a gas. Whereas the water molecules were in a well-defined lattice in the ice cube, they float unpredictably in the gas. The entropy of the ice cube is, therefore, lower than that of the gas. Similarly, the entropy of a plate is higher when it is in pieces on the floor compared with when it is in one piece in the sink.

A more formal definition for entropy as heat moves around a system is given in the first of the equations. The infinitesimal change in entropy of a system (dS) is calculated by measuring how much heat has entered a closed system (δQ) divided by the common temperature (T) at the point where the heat transfer took place.

The second equation is a way to express the second law of thermodynamics in terms of entropy. The formula says that the entropy of an isolated natural system will always tend to stay the same or increase – in other words, the energy in the universe is gradually moving towards disorder. Our original statement of the second law emerges from this equation: heat cannot spontaneously flow from a cold object (low entropy) to a hot object (high entropy) in a closed system because it would violate the equation. (Refrigerators seemingly break this rule since they can freeze things to much lower temperatures than the air around them. But they don't violate the second law because they are not isolated systems, requiring a continual input of electrical energy to pump heat out of their interior. The fridge heats up the room around it and, if unplugged, would naturally return to thermal equilibrium with the room.)

This formula also imposes a direction on to time whereas every other physical law we know of would work the same whether time was going forwards or backwards, this is not true for the second law of thermodynamics. However long you leave it, a boiling pan of water is unlikely to ever become a block of ice. A smashed plate could never reassemble itself, as this would reduce the entropy of the system in defiance of the second law of thermodynamics. Some processes, Carnot observed, are irreversible.

Carnot examined steam engines, which work by burning fuel to heat up a cylinder containing steam, which expands and pushes on a piston to then do something useful. The portion of the fuel's energy that is extracted and made to do something useful is called work, while the remainder is the wasted (and disordered) energy we call heat. Carnot showed that you could predict the theoretical maximum efficiency of a steam engine by measuring the difference in temperatures of the steam inside the cylinder and that of the air around it, known in thermodynamic terms as the hot and cold reservoirs of a system respectively.

Heat engines work because heat naturally flows from hot to cold places. If there was no cold reservoir towards which it could move there would be no heat flow and the engine would not work. Because the cold reservoir is always above absolute zero, no heat engine can be 100% efficient.

The best-designed engines, therefore, heat up steam (or other gas) to the highest possible temperature then release the exhaust at the lowest possible temperature. The most modern steam engines can get to around 60% efficiency and diesel engines in cars can get to around 50% efficient. Petrol-based internal combustion engines are much more wasteful of their fuel's energy.

The inefficiencies are built into any system using energy and can be described thermodynamically. This wasted energy means that the overall disorder of the universe – its entropy – will increase over time but at some point reach a maximum. At this moment in some unimaginably distant future, the energy in the universe will be evenly distributed and so, for all macroscopic purposes, will be useless. Cosmologists call this the "heat death" of the universe, an inevitable consequence of the unstoppable march of entropy.


Do scientists know how matter and energy came into existence yet

As we piece together the past from the evidence we have, we see very strong evidence that all matter in the universe was packed tightly together once. We absolutely cannot determine anything about what happened before that point in time, because it is an absolute destruction of evidence. All "fingerprints" of any past that were in the form of shapes of matter or energy would have been completely and utterly destroyed by such an event. So by looking at it, for all we know, it came from the collapse of a universe like ours, or maybe the invisible pink unicorn shot the universe out of its invisible pink horn. We have no idea.

Now, modern theoretical physicists are working to understand the way our universe works beyond conventional methods, so that they can perhaps unfold new evidence that wouldn't have been destroyed by such a great compacting.

As for the infinitality of particles, it's simply that they have such a simple form that they can remain completely unchanged until great forces act upon them. The theoretical component particle (which might be the string) is the smallest particle that all matter and energy is made up of, and as it has no component parts, it cannot be altered or destroyed. These particles, if they exist (and they probably do) are infinite. They may have been created once, or they may have always existed. There is no way for us to know. And maybe someday they will be destroyed by a process that is beyond our understanding. But no catastrophe within our understanding could ever destroy or even change these particles in the slightest. As far as we can tell, they are all here to stay, forever.

"I don't believe matter can be eternal. It just doesn't make sense!"

The fact that you cannot make sense of it says nothing about its likelihood of being true. This is called the "Argument from Incredulity" and is a logical fallacy to be avoided.


Histoire

Scientists in the late 18th and early 19th centuries adhered to caloric theory, first proposed by Antoine Lavoisier in 1783, and further bolstered by the work of Sadi Carnot in 1824, according to the American Physical Society. Caloric theory treated heat as a kind of fluid that naturally flowed from hot to cold regions, much as water flows from high to low places. When this caloric fluid flowed from a hot to a cold region, it could be converted to kinetic energy and made to do work much as falling water could drive a water wheel. It wasn&rsquot until Rudolph Clausius published "The Mechanical Theory of Heat" in 1879 that caloric theory was finally put to rest.


What explains the existence of energy/matter if it cannot be created or destroyed? - Astronomie

Although the ancient astronomers could determine the positions and brightness of stars, they had no understanding of what stars were. This is because they lacked a framework of physics in which to understand how stars worked. They lacked what we call today modern physics. Physics includes a wide variety of fields that are used to understand the origin and evolution of stars, mechanics, thermodynamics, light, matter, energy and the forces of Nature. The first physical laws dealt with motion, which we call classical mechanics.

In the center of the `School of Athens' by Raphael are Aristotle and Plato, Aristotle's hand level to the Earth symbolizing his realism view of Nature Plato's hand pointed towards the heaven symbolizing the mystical nature to his view of the Universe. This image symbols the sharp change in the meaning of how `natural philosophy' or physics will be done for the 2,200 years.

Aristotle stands in the Greek philosophical tradition which asserts that nature is understandable. This tradition, opposed to the idea that nature is under the control of capricious deities which are to be appeased rather than understood, is one of the roots of science.

Aristotle constructed his view of the Universe based on a intuitive felling of holistic harmony. Central to this philosophy was the concept of teleology or final causation. He supposed that individual objects (e.g. a falling rock) and systems (e.g. the motion of the planets) subordinate their behavior to an overall plan or destiny. This was especially apparent in living systems where the component parts function in a cooperative way to achieve a final purpose or end product.

Aristotle also provides a good example of the way in which what one knows or believes influences the way one understands new information. His theory of motion flows from his understanding of matter as constituted of four elements: air, earth, fire, and water. Each element exists in its own sphere around the Earth. Objects, being solid like earth, would tend to clump together with other solids (earth), so objects tend to fall to earth, their natural place. Thus, falling is a natural motion. Hot objects, like a hot air balloon, would rise towards its sphere of Fire.

The way Aristotle believed
objects to fall on the Earth
The way objects actually
fall to Earth

The difficulty comes in thinking about horizontal motion. Making an object move usually has a pretty obvious cause. What's difficult is explaining why something continues in motion.

The way Aristotle thought
projectiles moved
The way projectiles
"really" move

Think of a spear being thrown. At first, it is not in motion, but then the thrower's arm provides an impetus which accelerates it (our vocabulary, not Aristotle's). But then, what keeps it going after it leaves the thrower's hand? It should fall to earth immediately since there's nothing obvious pushing it!

Aristotle's answer was that as the spear flies through the air, it leaves a vacuum behind it. Air rushing in pushes the spear forward until its natural motion (falling) eventually brings it to earth.

Aristotle also thought about the causes which start things moving. In the spear scenario, it's easy to say that the thrower's arm moves the spear, but what moves the thrower's arm? Aristotle said that another motion moved the arm (muscle contraction?) but he also realized that some earlier motion must cause the muscle to contract and that earlier motion must also have its own initiator.

To avoid the idea that there is an infinite chain of causes, Aristotle argued that there must be an "unmoved mover," something which can initiate motion without itself being set in motion. This view was preserved by medieval Church during the Dark Ages and became the ruling paradigm.

Aside from his numerous inventions, Galileo also laid down the first accurate laws of motion for masses since the time of Aristotle. Galileo realized that all bodies accelerate at the same rate regardless of their size or mass. Everyday experience (as stated by Aristotle) tells you differently because a feather falls slower than a cannonball. Galileo's genius lay in spotting that the differences that occur in the everyday world are in incidental complication (in this case, air friction) and are irrelevant to the real underlying properties (that is, gravity). He was able to abstract from the complexity of real-life situations the simplicity of an idealized law of gravity.

Key among his investigations are:

  • developed the concept of motion in terms of velocity (speed and direction) through the use of inclined planes.
  • developed the idea of force, as a cause for motion.
  • determined that the natural state of an object is rest or uniform motion, i.e. objects always have a velocity, sometimes that velocity has a magnitude of zero = rest.
  • objects resist change in motion, which is called inertia.

The current understanding of the motion of objects, both macroscopic (such as stars and planets) and microscopic (such as atoms) was developed by Isaac Newton over 300 years ago. Newton defined the relationship of motion, called the laws of classical mechanics. In particular, he developed the following concepts:

    The three root quantities in mechanics are velocity, time and distance. The three are related by the formula distance = velocity x time

With respect to the energy of motion we follow Newton's formulation of the concept of momentum. A quantity that is used to describe the energy of motion and is expressed as the mass of an object times its velocity.

Newton also found that there is a law of the conservation of momentum that states the total momentum of a system is conserved. In other words, the sum of the momentum before must equal the sum of the momentums afterword. Conservation laws are extremely powerful in physics since they allow one to derive the future from the present conditions.

Energy is a concept that took over 150 years after Newton to develop. Energy can not be created or destroyed, only transfered from place to place. Energy is defined to be force times distance and is expressed in units of ergs (grams centimeter per second).

Huygens (1650's) was the first to develop the terminology, stating that:

  • energy is not like matter
  • energy does not have size, shape or occupy space
  • energy does not have inertia

The law of the conservation of energy means that energy can neither be created or destroyed, only transformed from one form to another.

Normally, we speak of the energy of motion, called kinetic energy, or stored energy, called potential energy. Potential energy as stored energy, for example as spring, also has a source from the gravitational field of a star or planet. A hammer held above the ground has the potential energy associated with its distance from the ground. This energy is released into kinetic energy when the hammer is dropped.

Energy also exists in chemical, nuclear, and electrical form. But these are mostly variations on kinetic and potential energies. For example, a chemical explosive is in potential form until the fuse is lite, then it converts to kinetic (the explosion). Electrical energy is the kinetic energy of the electrons in the wire.

Matter consists of atoms held together by electromagnetic forces. How tight these bonds are determines which of the four states: solid, liquid, gas and plasma, matter exists as. Plasmas are only found naturally in the coronae and cores of stars.

Notice that increasing the kinetic energy of the atoms weakens their bonds. Heating increases the motion of atoms and causes the matter to go from solid (ice) to liquid (water) to gas (vapor).

Atomic theory is the field of physics that describes the characteristics and properties of atoms that make up matter. The key point to note about atomic theory is the relationship between the macroscopic world (us) and the microscopic world of atoms. For example, the macroscopic world deals with concepts such as temperature and pressure to describe matter. The microscopic world of atomic theory deals with the kinetic motion of atoms to explain macroscopic quantities.

Macroscopic properties of matter are governed by the Ideal Gas Law of chemistry.

Temperature is explained in atomic theory as the motion of the atoms (faster = hotter). Pressure is explained as the momentum transfer of those moving atoms on the walls of the container (faster atoms = higher temperature = more momentum/hits = higher pressure).

For the ideal gas law, atoms appear to operate as tiny billiard balls, having no structure. Rutherford performed early experiments of shooting alpha particles (helium nuclei) at sheets of gold to show that atoms were, in fact, mostly empty space. Rutherford's model of an atom has a small nucleus containing protons (positive charged particles) and neutrons (particles with no electric charge) surrounded by electrons (small particles of negative charge).

This model basically looks like a little solar system, where the nucleus is the Sun and the electrons orbit the nucleus like the planets orbit the Sun. The solid behavior of atoms is due to the electromagnetic repulsion of the electrons in the outer orbits. When you strike your hand on a table, the solidness you feel is an illusion caused by the electrons pushing away from the atoms of the table and the atoms of your hand.

Bohr developed a different model of the atom to explain the absorption and emission line spectrum that could not be understood by the Rutherford atom model. The Bohr atom is similar to Rutherford atom, except the electrons can only move in fixed or quantized orbits.

The quantized orbits of the electrons allows for a simple explanation of the origin of photons, and the spectrum of light. Photons are produced by the transition of electrons downward in their orbits. A downward transition releases potential energy in the form of a light particle, a photon (as seen in an emission line). Likewise, photons could be absorbed by electrons (causing an absorption feature), and they move upward in their orbits.

The two properties of the Bohr atom led to the development of quantum physics and the detailed understanding of the emission and absorption nature of spectra.

Modern physics speaks of fundamental building blocks of Nature, where fundamental takes on a reductionist meaning of simple and structureless. Many of the particles we have discussed so far appear simple in their properties. All electrons have the exact same characteristics (mass, charge, etc.), so is an electron fundamental because they are all non-unique.

The search for the origin of matter means the understanding of elementary particles. The understanding of elementary particles requires an understanding of not only their characteristics, but how they interact and relate to other particles and forces of Nature, the field of physics called particle physics.

The study of particles begins with the search for the primary constituent. More than 200 subatomic particles have been discovered so far, however most are not fundamental, most are composed of other, simpler particles. For example, Rutherford showed that the atom was composed of a nucleus and orbiting electrons. Later physicists showed that the nucleus was composed of neutrons and protons. More recent work has shown that protons and neutrons are composed of quarks.

The two most fundamental types of particles are quarks and leptons, where each class is divided into 6 flavors corresponding to three generations of matter. Quarks (and antiquarks) have electric charges in units of 1/3 or 2/3's. Leptons have charges in units of 1 or 0.

Normal matter, everyday matter, is of the first generation, so we only concern ourselves with up and down quarks, the electron neutrino (often just called the neutrino), electrons, plus the four force carriers, the photon, the gluon, the W particle and the Z particle which we collectively call bosons. Force carriers are responsible for the four fundamental forces of Nature.

Note that for every quark or lepton there is an anti-particle, what is called anti-matter. For example, there is an up anti-quark, an anti-electron (called a positron) and an anti-neutrino. When matter and anti-matter make contact, then instantly annihilate each other to produce energy. Bosons do not have antiparticles since they are force carriers.

Quarks combine to form other types of matter, baryons and mesons. Baryons are made of three quarks and are found everywhere, they are the protons and neutrons of atomic nuclei (and also anti-protons and anti-neutrons). Mesons, made of quark pairs, are usually found in cosmic rays. Notice that a rule for quark combinations is that the sum of the charges must be an integer -1, 0, or +1. We do not see fractional charges in Nature, thus there are no free quarks, they are only found in pairs or triplets.

Thus, our current understanding of the structure of the atom is such that the atom contains a nucleus surrounded by a cloud of negatively charged electrons bound to the nucleus by electromagnetic forces. The nucleus is composed of neutral neutrons and positively charged protons bound together by the strong nuclear force. The protons and neutrons are composed of up and down quarks whose fractional charges (2/3 and -1/3) which combine to produce the 0 or +1 charge of the proton and neutron.


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