Materia

En física clásica y química general, la materia es cualquier sustancia que tiene masa y ocupa espacio al tener volumen. Todos los objetos cotidianos que se pueden tocar están compuestos en última instancia por átomos, que están formados por partículas subatómicas que interactúan, y tanto en el uso cotidiano como en el científico, la 'materia' generalmente incluye átomos y cualquier cosa formada por ellos, y cualquier partícula (o combinación de partículas) que actúan como si tuvieran masa y volumen en reposo. Sin embargo, no incluye partículas sin masa como los fotones u otros fenómenos energéticos u ondas como la luz.La materia existe en varios estados (también conocidos como fases). Estos incluyen fases cotidianas clásicas como sólido, líquido y gas (por ejemplo, el agua existe como hielo, agua líquida y vapor gaseoso), pero son posibles otros estados, como plasma, condensados ​​de Bose-Einstein, condensados ​​fermiónicos y plasma de quarks-gluones. .

Por lo general, los átomos se pueden imaginar como un núcleo de protones y neutrones, y una "nube" circundante de electrones en órbita que "ocupan espacio".Sin embargo, esto es solo algo correcto, porque las partículas subatómicas y sus propiedades se rigen por su naturaleza cuántica, lo que significa que no actúan como parecen actuar los objetos cotidianos: pueden actuar como ondas y como partículas y no tienen características bien definidas. tamaños o posiciones. En el modelo estándar de física de partículas, la materia no es un concepto fundamental porque los constituyentes elementales de los átomos son entidades cuánticas que no tienen un "tamaño" o "volumen" inherente en ningún sentido cotidiano de la palabra. Debido al principio de exclusión y otras interacciones fundamentales, algunas "partículas puntuales" conocidas como fermiones (quarks, leptones) y muchos compuestos y átomos se ven obligados a mantenerse a distancia de otras partículas en condiciones cotidianas;

Durante gran parte de la historia de las ciencias naturales, la gente ha contemplado la naturaleza exacta de la materia. La idea de que la materia se construyó a partir de bloques de construcción discretos, la llamada teoría de partículas de la materia, apareció de forma independiente en la antigua Grecia y la antigua India entre los budistas, hindúes y jainistas en el primer milenio antes de Cristo. Los filósofos antiguos que propusieron la teoría de las partículas de la materia incluyen a Canadá (hacia el siglo VI a. C. o después), Leucipo (~490 a. C.) y Demócrito (~ 470–380 a. C.).

Comparación con la masa

La materia no debe confundirse con la masa, ya que las dos no son lo mismo en la física moderna. Materia es un término general que describe cualquier 'sustancia física'. Por el contrario, la masa no es una sustancia sino una propiedad cuantitativa de la materia y otras sustancias o sistemas; Dentro de la física se definen varios tipos de masa, que incluyen, entre otros, masa en reposo, masa inercial, masa relativista, masa-energía.

Si bien existen diferentes puntos de vista sobre lo que debe considerarse materia, la masa de una sustancia tiene definiciones científicas exactas. Otra diferencia es que la materia tiene un "opuesto" llamado antimateria, pero la masa no tiene opuesto: no existe tal cosa como "anti-masa" o masa negativa, hasta donde se sabe, aunque los científicos discuten el concepto. La antimateria tiene la misma propiedad de masa (es decir, positiva) que su equivalente de materia normal.

Diferentes campos de la ciencia usan el término materia de maneras diferentes y, a veces, incompatibles. Algunas de estas formas se basan en significados históricos vagos, de una época en la que no había razón para distinguir la masa de simplemente una cantidad de materia. Como tal, no existe un único significado científico universalmente aceptado de la palabra "materia". Científicamente, el término "masa" está bien definido, pero "materia" se puede definir de varias maneras. A veces, en el campo de la física, la "materia" se equipara simplemente con partículas que muestran masa en reposo (es decir, que no pueden viajar a la velocidad de la luz), como los quarks y los leptones. Sin embargo, tanto en física como en química, la materia exhibe propiedades ondulatorias y corpusculares, la llamada dualidad onda-partícula.

Definición

Basado en átomos

Una definición de "materia" basada en su estructura física y química es: la materia está formada por átomos . Tal materia atómica también se denomina a veces materia ordinaria . Como ejemplo, las moléculas de ácido desoxirribonucleico (ADN) son materia bajo esta definición porque están hechas de átomos. Esta definición puede extenderse para incluir átomos y moléculas cargados, de modo que incluya plasmas (gases de iones) y electrolitos (soluciones iónicas), que obviamente no están incluidos en la definición de átomos. Alternativamente, se puede adoptar la definición de protones, neutrones y electrones .

Basado en protones, neutrones y electrones.

Una definición de "materia" más detallada que la definición de átomos y moléculas es: la materia está compuesta de lo que están hechos los átomos y las moléculas , es decir, cualquier cosa hecha de protones cargados positivamente, neutrones neutros y electrones cargados negativamente. Sin embargo, esta definición va más allá de los átomos y las moléculas para incluir sustancias hechas de estos componentes básicos que no sonsimplemente átomos o moléculas, por ejemplo, haces de electrones en un viejo televisor de tubo de rayos catódicos, o materia enana blanca, por lo general, núcleos de carbono y oxígeno en un mar de electrones degenerados. A nivel microscópico, las "partículas" constituyentes de la materia, como los protones, los neutrones y los electrones, obedecen las leyes de la mecánica cuántica y exhiben una dualidad onda-partícula. En un nivel aún más profundo, los protones y los neutrones están formados por quarks y los campos de fuerza (gluones) que los unen, lo que lleva a la siguiente definición.

Basado en quarks y leptones

Como se vio en la discusión anterior, muchas definiciones tempranas de lo que se puede llamar "materia ordinaria" se basaron en su estructura o "bloques de construcción". En la escala de partículas elementales, una definición que sigue esta tradición puede establecerse como: "materia ordinaria es todo lo que está compuesto de quarks y leptones", o "materia ordinaria es todo lo que está compuesto de fermiones elementales excepto antiquarks y antileptones". . La conexión entre estas formulaciones sigue.

Los leptones (el más famoso es el electrón) y los quarks (de los cuales se forman los bariones, como los protones y los neutrones) se combinan para formar átomos, que a su vez forman moléculas. Debido a que se dice que los átomos y las moléculas son materia, es natural formular la definición como: "la materia ordinaria es cualquier cosa que esté hecha de las mismas cosas de las que están hechos los átomos y las moléculas". (Sin embargo, tenga en cuenta que uno también puede hacer de estos bloques de construcción materia que no esátomos o moléculas). Entonces, debido a que los electrones son leptones, y los protones y neutrones están hechos de quarks, esta definición a su vez conduce a la definición de materia como "quarks y leptones", que son dos de los cuatro tipos de fermiones elementales ( los otros dos son antiquarks y antileptones, que pueden considerarse antimateria como se describe más adelante). Carithers y Grannis afirman: "La materia ordinaria está compuesta en su totalidad por partículas de primera generación, a saber, los quarks [arriba] y [abajo], más el electrón y su neutrino". (Las partículas de generaciones superiores se descomponen rápidamente en partículas de primera generación y, por lo tanto, no se encuentran comúnmente ) .

Esta definición de materia ordinaria es más sutil de lo que parece a primera vista. Todas las partículas que componen la materia ordinaria (leptones y quarks) son fermiones elementales, mientras que todos los portadores de fuerza son bosones elementales. Los bosones W y Z que median la fuerza débil no están hechos de quarks o leptones, por lo que no son materia ordinaria, aunque tengan masa. En otras palabras, la masa no es algo exclusivo de la materia ordinaria.

La definición de quark-leptón de materia ordinaria, sin embargo, identifica no solo los bloques de construcción elementales de la materia, sino que también incluye compuestos hechos a partir de los constituyentes (átomos y moléculas, por ejemplo). Dichos compuestos contienen una energía de interacción que mantiene unidos a los constituyentes y pueden constituir la mayor parte de la masa del compuesto. Como ejemplo, en gran medida, la masa de un átomo es simplemente la suma de las masas de los protones, neutrones y electrones que lo constituyen. Sin embargo, profundizando más, los protones y los neutrones están formados por quarks unidos por campos de gluones (ver dinámica de la cromodinámica cuántica) y estos campos de gluones contribuyen significativamente a la masa de los hadrones.En otras palabras, la mayor parte de lo que compone la "masa" de la materia ordinaria se debe a la energía de enlace de los quarks dentro de los protones y neutrones. Por ejemplo, la suma de la masa de los tres quarks en un nucleón es aproximadamente12,5 MeV/ c , que es bajo en comparación con la masa de un nucleón (aproximadamente938 MeV/ c ). La conclusión es que la mayor parte de la masa de los objetos cotidianos proviene de la energía de interacción de sus componentes elementales.

El Modelo Estándar agrupa las partículas de materia en tres generaciones, donde cada generación consta de dos quarks y dos leptones. La primera generación son los quarks arriba y abajo , el electrón y el neutrino electrónico ; el segundo incluye los quarks encanto y extraño , el muón y el neutrino muón ; la tercera generación consiste en los quarks top y bottom y el tau y el neutrino tau .La explicación más natural para esto sería que los quarks y leptones de generaciones superiores son estados excitados de las primeras generaciones. Si este resulta ser el caso, implicaría que los quarks y los leptones son partículas compuestas, en lugar de partículas elementales.

Esta definición de materia de quarks-leptones también conduce a lo que se puede describir como leyes de "conservación de la materia (neta)", que se analizan más adelante. Alternativamente, uno podría volver al concepto de materia de masa-volumen-espacio, lo que lleva a la siguiente definición, en la que la antimateria se incluye como una subclase de materia.

Basado en fermiones elementales (masa, volumen y espacio)

Una definición común o tradicional de materia es "cualquier cosa que tiene masa y volumen (ocupa espacio)". Por ejemplo, se diría que un automóvil está hecho de materia, ya que tiene masa y volumen (ocupa espacio).

La observación de que la materia ocupa espacio se remonta a la antigüedad. Sin embargo, una explicación de por qué la materia ocupa espacio es reciente y se argumenta que es el resultado del fenómeno descrito en el principio de exclusión de Pauli, que se aplica a los fermiones. Dos ejemplos particulares donde el principio de exclusión relaciona claramente la materia con la ocupación del espacio son las estrellas enanas blancas y las estrellas de neutrones, discutidas más adelante.

Así, la materia se puede definir como todo lo compuesto por fermiones elementales. Aunque no los encontramos en la vida cotidiana, los antiquarks (como el antiprotón) y los antileptones (como el positrón) son las antipartículas del quark y el leptón, también son fermiones elementales y tienen esencialmente las mismas propiedades que los quarks. y leptones, incluyendo la aplicabilidad del principio de exclusión de Pauli que puede decirse que evita que dos partículas estén en el mismo lugar al mismo tiempo (en el mismo estado), es decir, hace que cada partícula "ocupe espacio". Esta definición particular lleva a que la materia se defina para incluir cualquier cosa hecha de estas partículas de antimateria, así como el quark y el leptón ordinarios, y por lo tanto también cualquier cosa hecha de mesones, que son partículas inestables formadas por un quark y un antiquark.

En relatividad general y cosmología.

En el contexto de la relatividad, la masa no es una cantidad aditiva, en el sentido de que no se pueden sumar las masas en reposo de las partículas en un sistema para obtener la masa en reposo total del sistema. Por lo tanto, en relatividad, por lo general, una visión más general es que no es la suma de las masas en reposo, sino el tensor de energía-momento lo que cuantifica la cantidad de materia. Este tensor da la masa en reposo para todo el sistema. Por lo tanto, la "materia" a veces se considera como cualquier cosa que contribuya a la energía-momento de un sistema, es decir, cualquier cosa que no sea puramente gravitatoria. Este punto de vista se mantiene comúnmente en campos que se ocupan de la relatividad general, como la cosmología. Desde este punto de vista, la luz y otras partículas y campos sin masa son parte de la "materia".

Estructura

En física de partículas, los fermiones son partículas que obedecen a las estadísticas de Fermi-Dirac. Los fermiones pueden ser elementales, como el electrón, o compuestos, como el protón y el neutrón. En el Modelo Estándar, hay dos tipos de fermiones elementales: quarks y leptones, que se analizan a continuación.

quarks

Los quarks son partículas masivas de spin- 1 ⁄ 2 , lo que implica que son fermiones. Llevan una carga eléctrica de − 1 ⁄ 3  e (quarks tipo abajo) o + 2 ⁄ 3  e (quarks tipo arriba). A modo de comparación, un electrón tiene una carga de −1 e. También llevan carga de color, que es el equivalente a la carga eléctrica para la interacción fuerte. Los quarks también sufren decaimiento radiactivo, lo que significa que están sujetos a la interacción débil.

nombre	símbolo	girar	carga eléctrica (e)	masa (MeV/ c )	masa comparable a	antipartícula	símbolo de antipartículas
quarks de tipo ascendente
arriba	tu	1 ⁄ 2	+ 2 ⁄ 3	1,5 a 3,3	~ 5 electrones	antiup	tu
encanto	C	1 ⁄ 2	+ 2 ⁄ 3	1160 a 1340	~1 protón	antiencanto	C
cima	t	1 ⁄ 2	+ 2 ⁄ 3	169.100 a 173.300	~180 protones o ~1 átomo de tungsteno	antitop	t
quarks de tipo abajo
abajo	D	1 ⁄ 2	− 1 ⁄ 3	3,5 a 6,0	~10 electrones	antiabajo	D
extraño	s	1 ⁄ 2	− 1 ⁄ 3	70 a 130	~ 200 electrones	antiextraño	s
fondo	B	1 ⁄ 2	− 1 ⁄ 3	4130 a 4370	~ 5 protones	antifondo	B

bariónico

Los bariones son fermiones que interactúan fuertemente y, por lo tanto, están sujetos a las estadísticas de Fermi-Dirac. Entre los bariones se encuentran los protones y los neutrones, que se encuentran en los núcleos atómicos, pero también existen muchos otros bariones inestables. El término barión generalmente se refiere a triquarks, partículas formadas por tres quarks. Además, los bariones "exóticos" hechos de cuatro quarks y un antiquark se conocen como pentaquarks, pero su existencia generalmente no se acepta.

La materia bariónica es la parte del universo que está hecha de bariones (incluidos todos los átomos). Esta parte del universo no incluye energía oscura, materia oscura, agujeros negros o varias formas de materia degenerada, como las estrellas enanas blancas y las estrellas de neutrones. La luz de microondas vista por la sonda de anisotropía de microondas de Wilkinson (WMAP) sugiere que solo alrededor del 4,6 % de la parte del universo dentro del alcance de los mejores telescopios (es decir, la materia que puede ser visible porque la luz podría llegarnos desde ella) está formada por de materia bariónica. Alrededor del 26,8% es materia oscura y alrededor del 68,3% es energía oscura.

La gran mayoría de la materia ordinaria del universo no se ve, ya que las estrellas y el gas visibles dentro de las galaxias y los cúmulos representan menos del 10 por ciento de la contribución de la materia ordinaria a la densidad de masa y energía del universo.

Hadrónico

La materia hadrónica puede referirse a materia bariónica 'ordinaria', hecha de hadrones (bariones y mesones), o materia de quarks (una generalización de los núcleos atómicos), es decir, la materia QCD de 'baja' temperatura. Incluye materia degenerada y el resultado de colisiones de núcleos pesados ​​de alta energía.

Degenerar

En física, la materia degenerada se refiere al estado fundamental de un gas de fermiones a una temperatura cercana al cero absoluto. El principio de exclusión de Pauli requiere que solo dos fermiones puedan ocupar un estado cuántico, uno girando hacia arriba y el otro girando hacia abajo. Por lo tanto, a temperatura cero, los fermiones llenan niveles suficientes para acomodar todos los fermiones disponibles y, en el caso de muchos fermiones, la energía cinética máxima (llamada energía de Fermi ) y la presión del gas se vuelven muy grandes y dependen de el número de fermiones en lugar de la temperatura, a diferencia de los estados normales de la materia.

Se cree que la materia degenerada ocurre durante la evolución de las estrellas pesadas. La demostración de Subrahmanyan Chandrasekhar de que las estrellas enanas blancas tienen una masa máxima permitida debido al principio de exclusión provocó una revolución en la teoría de la evolución estelar.

La materia degenerada incluye la parte del universo que está formada por estrellas de neutrones y enanas blancas.

Extraño

La materia extraña es una forma particular de materia de quarks, generalmente considerada como un líquido de quarks arriba, abajo y extraños. Se contrasta con la materia nuclear, que es un líquido de neutrones y protones (que a su vez están formados por quarks arriba y abajo), y con la materia de quarks no extraños, que es un líquido de quarks que contiene solo quarks arriba y abajo. A una densidad lo suficientemente alta, se espera que la materia extraña sea superconductora de color. Se supone que la materia extraña se encuentra en el núcleo de las estrellas de neutrones o, más especulativamente, como gotitas aisladas que pueden variar en tamaño desde femtómetros (strangelets) hasta kilómetros (estrellas de quarks).

dos significados

En física de partículas y astrofísica, el término se utiliza de dos formas, una más amplia y otra más específica.

1. El significado más amplio es solo materia de quarks que contiene tres sabores de quarks: arriba, abajo y extraño. En esta definición, hay una presión crítica y una densidad crítica asociada, y cuando la materia nuclear (hecha de protones y neutrones) se comprime más allá de esta densidad, los protones y neutrones se disocian en quarks, produciendo materia de quarks (probablemente materia extraña).
2. El significado más estricto es materia de quarks que es más estable que la materia nuclear . La idea de que esto podría suceder es la "hipótesis de la materia extraña" de Bodmer y Witten. En esta definición, la presión crítica es cero: el verdadero estado fundamental de la materia es siempre materia de quarks. Los núcleos que vemos en la materia que nos rodea, que son gotitas de materia nuclear, en realidad son metaestables y, con el tiempo suficiente (o el estímulo externo correcto), se descompondrán en gotitas de materia extraña, es decir, extraños.

leptones

Los leptones son partículas de spin- 1 ⁄ 2 , lo que significa que son fermiones. Llevan una carga eléctrica de −1 e (leptones cargados) o 0 e (neutrinos). A diferencia de los quarks, los leptones no tienen carga de color, lo que significa que no experimentan la interacción fuerte. Los leptones también sufren decaimiento radiactivo, lo que significa que están sujetos a la interacción débil. Los leptones son partículas masivas, por lo tanto están sujetas a la gravedad.

nombre	símbolo	girar	carga eléctrica (e)	masa (MeV/ c )	masa comparable a	antipartícula	símbolo de antipartículas
leptones cargados
electrón	mi	1 ⁄ 2	−1	0.5110	1 electrón	antielectrón	mi
muón	m	1 ⁄ 2	−1	105.7	~ 200 electrones	antimuón	m
Tau	τ	1 ⁄ 2	−1	1,777	~ 2 protones	antitaú	τ
neutrinos
neutrino electrónico	v mi	1 ⁄ 2	0	< 0.000460	< 1 ⁄ 1000 electrón	antineutrino electrónico	v mi
neutrino muón	v m	1 ⁄ 2	0	<0,19	< 1 ⁄ 2 electrón	antineutrino muón	v m
neutrino tau	v τ	1 ⁄ 2	0	<18,2	< 40 electrones	antineutrino tau	v τ

Etapas

A granel, la materia puede existir en varias formas diferentes, o estados de agregación, conocidos como fases , dependiendo de la presión ambiental, la temperatura y el volumen. Una fase es una forma de materia que tiene una composición química y propiedades físicas relativamente uniformes (como densidad, calor específico, índice de refracción, etc.). Estas fases incluyen las tres familiares (sólidos, líquidos y gases), así como estados más exóticos de la materia (como plasmas, superfluidos, supersólidos, condensados ​​de Bose-Einstein, ...). un fluidopuede ser un líquido, gas o plasma. También hay fases paramagnéticas y ferromagnéticas de materiales magnéticos. A medida que cambian las condiciones, la materia puede cambiar de una fase a otra. Estos fenómenos se denominan transiciones de fase y se estudian en el campo de la termodinámica. En los nanomateriales, la relación mucho mayor entre el área de la superficie y el volumen da como resultado una materia que puede exhibir propiedades completamente diferentes a las del material a granel, y que ninguna fase a granel describe bien (ver nanomateriales para más detalles).

Las fases a veces se denominan estados de la materia , pero este término puede generar confusión con los estados termodinámicos. Por ejemplo, dos gases mantenidos a diferentes presiones están en diferentes estados termodinámicos (diferentes presiones), pero en la misma fase (ambos son gases).

Antimateria

Problema no resuelto de física :

Asimetría bariónica. ¿Por qué hay mucha más materia que antimateria en el universo observable?(más problemas sin resolver en física)

La antimateria es materia que se compone de las antipartículas de las que constituyen la materia ordinaria. Si una partícula y su antipartícula entran en contacto, las dos se aniquilan; es decir, ambos pueden convertirse en otras partículas con la misma energía de acuerdo con la ecuación de Albert Einstein E = mc. Estas nuevas partículas pueden ser fotones de alta energía (rayos gamma) u otros pares de partículas y antipartículas. Las partículas resultantes están dotadas de una cantidad de energía cinética igual a la diferencia entre la masa en reposo de los productos de la aniquilación y la masa en reposo del par partícula-antipartícula original, que suele ser bastante grande. Dependiendo de qué definición de "materia" se adopte, se puede decir que la antimateria es una subclase particular de materia, o lo opuesto a la materia.

La antimateria no se encuentra naturalmente en la Tierra, excepto muy brevemente y en cantidades muy pequeñas (como resultado de la desintegración radiactiva, rayos o rayos cósmicos). Esto se debe a que la antimateria que llegó a existir en la Tierra fuera de los límites de un laboratorio de física adecuado se encontraría casi instantáneamente con la materia ordinaria de la que está hecha la Tierra y sería aniquilada. Las antipartículas y algo de antimateria estable (como el antihidrógeno) se pueden producir en pequeñas cantidades, pero no en cantidad suficiente para hacer más que probar algunas de sus propiedades teóricas.

Existe una especulación considerable tanto en la ciencia como en la ciencia ficción sobre por qué el universo observable aparentemente es casi completamente materia (en el sentido de quarks y leptones pero no antiquarks o antileptones), y si otros lugares son casi completamente antimateria (antiquarks y antileptones) en su lugar. . En el universo primitivo, se pensaba que la materia y la antimateria estaban igualmente representadas, y la desaparición de la antimateria requiere una asimetría en las leyes físicas llamada violación de simetría CP (paridad de carga), que se puede obtener del modelo estándar, pero en este momento la aparente asimetría de materia y antimateria en el universo visible es uno de los grandes problemas no resueltos de la física. Los posibles procesos por los que se produjo se exploran con más detalle en la bariogénesis.

Formalmente, las partículas de antimateria se pueden definir por su número bariónico o número leptónico negativo, mientras que las partículas de materia "normales" (que no son antimateria) tienen un número bariónico o leptónico positivo. Estas dos clases de partículas son los compañeros de antipartículas entre sí.

En octubre de 2017, los científicos reportaron evidencia adicional de que la materia y la antimateria, producidas por igual en el Big Bang, son idénticas, deberían aniquilarse por completo entre sí y, como resultado, el universo no debería existir. Esto implica que debe haber algo, aún desconocido para los científicos, que detuvo la destrucción mutua completa de materia y antimateria en el universo en formación temprana, o que dio lugar a un desequilibrio entre las dos formas.

Conservación

Dos cantidades que pueden definir una cantidad de materia en el sentido quark-lepton (y antimateria en un sentido antiquark-antilepton), el número bariónico y el número lepton, se conservan en el modelo estándar. Un barión como el protón o el neutrón tiene un número bariónico de uno, y un quark, debido a que hay tres en un barión, recibe un número bariónico de 1/3. Entonces, la cantidad neta de materia, medida por el número de quarks (menos el número de antiquarks, cada uno de los cuales tiene un número bariónico de −1/3), que es proporcional al número bariónico, y el número de leptones (menos antileptones), que se llama el número de leptones, es prácticamente imposible de cambiar en cualquier proceso. Incluso en una bomba nuclear, ninguno de los bariones (protones y neutrones que componen los núcleos atómicos) se destruye; hay tantos bariones después como antes de la reacción, por lo tanto, ninguna de estas partículas de materia se destruye realmente y ninguna se convierte en partículas que no sean de materia (como fotones de luz o radiación). En cambio, se libera energía de enlace nuclear (y tal vez cromodinámica), ya que estos bariones se unen en núcleos de tamaño mediano que tienen menos energía (y, de manera equivalente, menos masa) por nucleón en comparación con el original pequeño (hidrógeno) y grande (plutonio, etc.). ) núcleos. Incluso en la aniquilación electrón-positrón, no se destruye materia neta, porque antes de la aniquilación había cero materia neta (cero número total de leptones y número de bariones) antes de la aniquilación: un leptón menos un antileptón es igual a cero número neto de leptones, y esto la cantidad neta de materia no cambia, ya que simplemente permanece en cero después de la aniquilación.

En resumen, la materia, tal como se define en física, se refiere a bariones y leptones. La cantidad de materia se define en términos de número bariónico y leptónico. Se pueden crear bariones y leptones, pero su creación va acompañada de antibariones o antileptones; y pueden ser destruidos, aniquilándolos con antibariones o antileptones. Dado que los antibariones/antileptones tienen números de bariones/leptones negativos, los números generales de bariones/leptones no cambian, por lo que se conserva la materia. Sin embargo, los bariones/leptones y los antibariones/antileptones tienen masa positiva, por lo que la cantidad total de masa no se conserva. Además, fuera de las reacciones nucleares naturales o artificiales, casi no hay antimateria disponible en general en el universo (ver asimetría bariónica y leptogénesis), por lo que la aniquilación de partículas es rara en circunstancias normales.

Oscuro

La materia ordinaria, en la definición de quarks y leptones, constituye alrededor del 4% de la energía del universo observable. Se teoriza que la energía restante se debe a formas exóticas, de las cuales el 23% es materia oscura y el 73% es energía oscura.

En astrofísica y cosmología, la materia oscura es materia de composición desconocida que no emite ni refleja suficiente radiación electromagnética para ser observada directamente, pero cuya presencia puede inferirse de los efectos gravitacionales sobre la materia visible. La evidencia observacional del universo primitivo y la teoría del Big Bang requieren que esta materia tenga energía y masa, pero que no esté compuesta de bariones ordinarios (protones y neutrones). La opinión comúnmente aceptada es que la mayor parte de la materia oscura es de naturaleza no bariónica. Como tal, está compuesto de partículas aún no observadas en el laboratorio. Quizás sean partículas supersimétricas, que no son partículas del modelo estándar, sino reliquias formadas a energías muy altas en la fase temprana del universo y que aún flotan.

Energía

En cosmología, la energía oscura es el nombre que se le da a la fuente de la influencia repelente que está acelerando la tasa de expansión del universo. Su naturaleza precisa es actualmente un misterio, aunque sus efectos pueden modelarse razonablemente asignando propiedades similares a las de la materia, como la densidad de energía y la presión, al propio vacío.

El 70% de la densidad de la materia en el universo parece estar en forma de energía oscura. El veintiséis por ciento es materia oscura. Sólo el 4% es materia ordinaria. Entonces, menos de 1 parte en 20 está hecha de materia que hemos observado experimentalmente o descrito en el modelo estándar de física de partículas. Del otro 96%, aparte de las propiedades que acabamos de mencionar, no sabemos absolutamente nada.—  Lee Smolin (2007), El problema de la física , p. dieciséis

Exótico

La materia exótica es un concepto de la física de partículas, que puede incluir la materia oscura y la energía oscura, pero va más allá e incluye cualquier material hipotético que viole una o más de las propiedades de formas conocidas de materia. Algunos de estos materiales podrían poseer propiedades hipotéticas como masa negativa.

estudio historico

Antigüedad (c. 600 a. C.-c. 322 a. C.)

En la India antigua, los budistas, los hindúes y los jainistas desarrollaron cada uno una teoría de partículas de la materia, postulando que toda la materia está hecha de átomos ( paramanu , pudgala ) que son en sí mismos "eternos, indestructibles e innumerables" y que se asocian y disocian de acuerdo con a ciertas leyes naturales fundamentales para formar materia más compleja o cambiar con el tiempo. Juntaron sus ideas de alma, o la falta de ella, en su teoría de la materia. Los desarrolladores y defensores más fuertes de esta teoría fueron la escuela Nyaya-Vaisheshika, siendo las ideas del filósofo Kanada (c. siglo VI a. C.) las más seguidas.Los budistas también desarrollaron estas ideas a fines del primer milenio a. C., ideas que eran similares a la escuela hindú Vaishashika, pero que no incluían alma ni conciencia. Los jainistas incluyeron el alma ( jiva ), agregando cualidades como el gusto, el olfato, el tacto y el color a cada átomo. Extendieron las ideas que se encuentran en la literatura temprana de los hindúes y los budistas al agregar que los átomos son húmedos o secos, y esta cualidad consolida la materia. También propusieron la posibilidad de que los átomos se combinen por la atracción de los opuestos, y el alma se adhiera a estos átomos, se transforme con los residuos del karma y transmigre con cada renacimiento.

En Europa, los presocráticos especularon sobre la naturaleza subyacente del mundo visible. Tales (c. 624 a. C.-c. 546 a. C.) consideraba el agua como el material fundamental del mundo. Anaximandro (c. 610 a. C.-c. 546 a. C.) postuló que el material básico carecía por completo de carácter o de límites: el Infinito ( apeiron ). Anaxímenes (floreció en el 585 a. C., m. 528 a. C.) postuló que la sustancia básica era el pneuma o aire. Heráclito (c. 535–c. 475 a. C.) parece decir que el elemento básico es el fuego, aunque quizás quiera decir que todo es cambio. Empédocles (c. 490–430 a. C.) habló de cuatro elementos de los que todo estaba hecho: tierra, agua, aire y fuego.Mientras tanto, Parménides argumentó que el cambio no existe, y Demócrito argumentó que todo está compuesto de cuerpos minúsculos e inertes de todas las formas llamados átomos, una filosofía llamada atomismo. Todas estas nociones tenían profundos problemas filosóficos.

Aristóteles (384-322 a. C.) fue el primero en colocar la concepción sobre una base filosófica sólida, lo que hizo en su filosofía natural, especialmente en el libro I de Física . Adoptó como suposiciones razonables los cuatro elementos de Empédoclean, pero agregó un quinto, el éter. . Sin embargo, estos elementos no son básicos en la mente de Aristóteles. Más bien, como todo lo demás en el mundo visible, se componen de los principios básicos de materia y forma.

Pues mi definición de la materia es precisamente ésta: el sustrato primario de cada cosa, del que llega a ser sin cualificación, y que persiste en el resultado.—  Aristóteles, Física I:9:192a32

La palabra que usa Aristóteles para materia, ὕλη ( hyle o hule ), se puede traducir literalmente como madera o madera, es decir, "materia prima" para la construcción.De hecho, la concepción de la materia de Aristóteles está intrínsecamente ligada a algo que se hace o se compone. En otras palabras, en contraste con la concepción moderna temprana de la materia como simplemente ocupando espacio, la materia para Aristóteles está definitivamente vinculada al proceso o cambio: la materia es lo que subyace a un cambio de sustancia. Por ejemplo, un caballo come hierba: el caballo transforma la hierba en sí mismo; la hierba como tal no persiste en el caballo, pero algún aspecto de ella, su materia, sí. La materia no se describe específicamente (p. ej., como átomos), sino que consiste en lo que persiste en el cambio de sustancia de hierba a caballo. Según este entendimiento, la materia no existe de forma independiente (es decir, como sustancia), sino que existe de manera interdependiente (es decir, como un "principio") con la forma y sólo en la medida en que subyace al cambio. Puede ser útil concebir la relación entre materia y forma como muy similar a la que existe entre las partes y el todo. Para Aristóteles, la materia como tal sólo puederecibir actualidad de la forma; no tiene actividad ni actualidad en sí misma, del mismo modo que las partes como tales sólo tienen su existencia en un todo (de lo contrario serían todos independientes).

Siglos XVII y XVIII

René Descartes (1596-1650) originó la concepción moderna de la materia. Era ante todo un geómetra. En lugar de, como Aristóteles, deducir la existencia de la materia a partir de la realidad física del cambio, Descartes postuló arbitrariamente que la materia es una sustancia matemática abstracta que ocupa espacio:

Así, la extensión en longitud, anchura y profundidad constituye la naturaleza de la sustancia corporal; y el pensamiento constituye la naturaleza de la sustancia pensante. Y todo lo demás atribuible al cuerpo presupone extensión, y no es más que un modo de una cosa extensa.—  René Descartes, Principios de Filosofía

Para Descartes, la materia sólo tiene la propiedad de extensión, por lo que su única actividad aparte de la locomoción es la de excluir otros cuerpos: esta es la filosofía mecanicista. Descartes hace una distinción absoluta entre la mente, que define como sustancia pensante, no extensa, y la materia, que define como sustancia extensa, no pensante. Son cosas independientes. En contraste, Aristóteles define la materia y el principio formal/formador como principios complementarios que juntos componen una cosa independiente (sustancia). En resumen, Aristóteles define la materia (en términos generales) como aquello de lo que las cosas están realmente hechas (con una existencia potencial independiente), pero Descartes eleva la materia a una cosa real independiente en sí misma.

Llama la atención la continuidad y diferencia entre las concepciones de Descartes y Aristóteles. En ambas concepciones, la materia es pasiva o inerte. En las respectivas concepciones la materia tiene diferentes relaciones con la inteligencia. Para Aristóteles, la materia y la inteligencia (forma) existen juntas en una relación de interdependencia, mientras que para Descartes, la materia y la inteligencia (mente) son sustancias definitoriamente opuestas e independientes.

La justificación de Descartes para restringir las cualidades inherentes de la materia a la extensión es su permanencia, pero su verdadero criterio no es la permanencia (que se aplica igualmente al color y la resistencia), sino su deseo de utilizar la geometría para explicar todas las propiedades materiales. Al igual que Descartes, Hobbes, Boyle y Locke argumentaron que las propiedades inherentes de los cuerpos se limitaban a la extensión y que las llamadas cualidades secundarias, como el color, eran solo productos de la percepción humana.

Isaac Newton (1643-1727) heredó la concepción mecánica de la materia de Descartes. En la tercera de sus "Reglas de razonamiento en filosofía", Newton enumera las cualidades universales de la materia como "extensión, dureza, impenetrabilidad, movilidad e inercia". De manera similar, en Óptica , conjetura que Dios creó la materia como "partículas sólidas, masivas, duras, impenetrables y móviles", que eran "... incluso tan duras que nunca se desgastarían ni se romperían en pedazos". Las propiedades "primarias" de la materia eran susceptibles de descripción matemática, a diferencia de las cualidades "secundarias" como el color o el sabor. Al igual que Descartes, Newton rechazó la naturaleza esencial de las cualidades secundarias.

Newton desarrolló la noción de materia de Descartes restaurando a la materia propiedades intrínsecas además de la extensión (al menos sobre una base limitada), como la masa. El uso de Newton de la fuerza gravitatoria, que trabajaba "a distancia", repudió efectivamente la mecánica de Descartes, en la que las interacciones ocurrían exclusivamente por contacto.

Aunque la gravedad de Newton parecería ser un poder de los cuerpos, el propio Newton no admitía que fuera una propiedad esencial de la materia. Joseph Priestley (1733-1804), llevando adelante la lógica de manera más consistente, argumentó que las propiedades corporales trascienden la mecánica de contacto: las propiedades químicas requieren la capacidad de atracción. Argumentó que la materia tiene otros poderes inherentes además de las llamadas cualidades primarias de Descartes, et al.

Siglos XIX y XX

Desde la época de Priestley, ha habido una expansión masiva en el conocimiento de los constituyentes del mundo material (es decir, moléculas, átomos, partículas subatómicas). En el siglo XIX, tras el desarrollo de la tabla periódica y de la teoría atómica, se consideraba que los átomos eran los constituyentes fundamentales de la materia; los atomos formaron moleculas y compuestos.

La definición común en términos de ocupar espacio y tener masa contrasta con la mayoría de las definiciones físicas y químicas de la materia, que se basan en cambio en su estructura y en atributos no necesariamente relacionados con el volumen y la masa. A principios del siglo XIX, el conocimiento de la materia comenzó una rápida evolución.

Aspectos de la visión newtoniana todavía dominaban. James Clerk Maxwell discutió la materia en su obra Matter and Motion . Separa cuidadosamente la "materia" del espacio y el tiempo, y la define en términos del objeto al que se refiere la primera ley del movimiento de Newton.

Sin embargo, la imagen newtoniana no era toda la historia. En el siglo XIX, el término "materia" fue discutido activamente por una gran cantidad de científicos y filósofos, y se puede encontrar un breve resumen en Levere. Una discusión de un libro de texto de 1870 sugiere que la materia es lo que se compone de átomos:

En la ciencia se reconocen tres divisiones de la materia: masas, moléculas y átomos.
Una masa de materia es cualquier porción de materia apreciable por los sentidos.
Una Molécula es la partícula más pequeña de materia en que se puede dividir un cuerpo sin perder su identidad.
Un átomo es una partícula aún más pequeña producida por la división de una molécula.

En lugar de simplemente tener los atributos de masa y ocupar espacio, se sostenía que la materia tenía propiedades químicas y eléctricas. En 1909, el famoso físico JJ Thomson (1856-1940) escribió sobre la "constitución de la materia" y se preocupó por la posible conexión entre la materia y la carga eléctrica.

A finales del siglo XIX, con el descubrimiento del electrón, y a principios del siglo XX, con el experimento Geiger-Marsden, el descubrimiento del núcleo atómico y el nacimiento de la física de partículas, se consideraba que la materia estaba compuesta de electrones, protones y neutrones. interactuando para formar átomos. Luego se desarrolló toda una literatura sobre la "estructura de la materia", que va desde la "estructura eléctrica" ​​a principios del siglo XX, hasta la más reciente "estructura de quarks de la materia", introducida ya en 1992 por Jacob con el comentario: " Comprender la estructura de los quarks de la materia ha sido uno de los avances más importantes de la física contemporánea". En este sentido, los físicos hablan de campos de materia y hablan de partículas como "Y aquí hay una cita de de Sabbata y Gasperini: "Con la palabra 'materia' denotamos, en este contexto, las fuentes de las interacciones, es decir, los campos espinores (como los quarks y los leptones), que se cree que son los componentes fundamentales de materia, o campos escalares, como las partículas de Higgs, que se utilizan para introducir masa en una teoría de calibre (y que, sin embargo, podrían estar compuestos por campos de fermiones más fundamentales)".

Sin embargo, los protones y los neutrones no son indivisibles: se pueden dividir en quarks. Y los electrones son parte de una familia de partículas llamadas leptones. Tanto los quarks como los leptones son partículas elementales, y en 2004 los autores de un texto de pregrado los consideraron como los constituyentes fundamentales de la materia.

Estos quarks y leptones interactúan a través de cuatro fuerzas fundamentales: gravedad, electromagnetismo, interacciones débiles e interacciones fuertes. El modelo estándar de la física de partículas es actualmente la mejor explicación para toda la física, pero a pesar de décadas de esfuerzos, la gravedad aún no puede explicarse a nivel cuántico; solo es descrito por la física clásica (ver gravedad cuántica y gravitón) para frustración de teóricos como Stephen Hawking. Las interacciones entre quarks y leptones son el resultado de un intercambio de partículas portadoras de fuerza, como fotones, entre quarks y leptones.Las partículas portadoras de fuerza no son en sí mismas bloques de construcción. Como consecuencia, la masa y la energía (que, según nuestro conocimiento actual, no pueden crearse ni destruirse) no siempre pueden relacionarse con la materia (que puede crearse a partir de partículas que no son materia, como los fotones, o incluso a partir de energía pura, como la energía cinética). energía). Los mediadores de fuerza no suelen ser considerados materia: los mediadores de la fuerza eléctrica (fotones) poseen energía (ver relación de Planck) y los mediadores de la fuerza débil (bosones W y Z) tienen masa, pero tampoco son considerados materia. Sin embargo, aunque estos cuantos no se consideran materia, contribuyen a la masa total de los átomos, las partículas subatómicas y todos los sistemas que las contienen.

Resumen

La concepción moderna de la materia se ha refinado muchas veces en la historia, a la luz de la mejora en el conocimiento de cuáles son los componentes básicos y cómo interactúan. El término "materia" se usa a lo largo de la física en una amplia variedad de contextos: por ejemplo, uno se refiere a "física de la materia condensada", "materia elemental", materia "partónica", materia "oscura", "anti"-materia, " materia "extraña" y materia "nuclear". En discusiones sobre materia y antimateria, Alfvén se ha referido a la primera como koinomateria ( del griego, materia común ). Es justo decir que en física no existe un amplio consenso en cuanto a una definición general de materia y el término "

La historia del concepto de materia es una historia de las escalas de longitud fundamentales utilizadas para definir la materia. Se aplican diferentes bloques de construcción dependiendo de si uno define la materia en un nivel atómico o de partículas elementales. Se puede usar una definición de que la materia son átomos, o que la materia son hadrones, o que la materia son leptones y quarks, dependiendo de la escala en la que se desee definir la materia.

Estos quarks y leptones interactúan a través de cuatro fuerzas fundamentales: gravedad, electromagnetismo, interacciones débiles e interacciones fuertes. El modelo estándar de la física de partículas es actualmente la mejor explicación para toda la física, pero a pesar de décadas de esfuerzos, la gravedad aún no puede explicarse a nivel cuántico; solo lo describe la física clásica (ver gravedad cuántica y gravitón).