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| La materia generalmente se clasifica en tres estados clásicos , con plasma a veces agregado como un cuarto estado. De arriba a abajo: cuarzo ( sólido ), agua ( líquido ),dióxido de nitrógeno ( gas ) y un globo de plasma ( plasma ). |
En física clásica y química general, la materia es cualquier sustancia que tiene masa y ocupa espacio al tener volumen . [1]Todos los objetos cotidianos que pueden ser tocados están compuestos en última instancia por átomos , que están compuestos por partículas subatómicas que interactúan , y en el uso diario y científico, la "materia" generalmente incluye átomos y cualquier cosa compuesta de ellos, y cualquier partícula. (o combinación de partículas ) que actúan como si tuvieran tanto masa como volumen. Sin embargo, no incluye partículas sin masa como los fotones., u otros fenómenos energéticos u ondas como la luz o el sonido . [1] [2] La materia existe en varios estados (también conocidos como fases ). Estas 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 el plasma , los condensados de Bose-Einstein , los condensados fermiónicos y el plasma de quark-gluones. . [3]
Por lo general, los átomos se pueden imaginar como un núcleo de protones y neutrones , y una "nube" circundante de electrones enórbita que "ocupan espacio". [4] [5] Sin embargo, esto es sólo un poco correcta, ya que las partículas subatómicas y sus propiedades se rigen por su naturaleza cuántica , lo que significa que no actúan como objetos cotidianos parecen actuar - que pueden actuar como olas, así como partículas y se No tienen tamaños ni posiciones bien definidas. En el Modelo Estándar de la física de partículas , la materia no es un concepto fundamental porque los constituyentes elementales de los átomos sonEntidades cuánticas que no tienen un "tamaño" o " volumen " inherentes 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 obligadas a mantener una distancia de otras partículas en condiciones cotidianas; esto crea la propiedad de la materia que nos parece como materia que ocupa espacio.
Durante gran parte de la historia de las ciencias naturales, laspersonas han 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 la materia particulada , fue presentada por primera vez en la antigua India por Jains (~ 900–500 AC), seguida por los filósofos griegos Leucippus (~ 490 AC) y Democritus. (~ 470–380 aC).
Comparación con la masa
La materia no debe confundirse con la masa, ya que los dos no son lo mismo en la física moderna. [7] Materia es un término general que describe cualquier " sustancia física" . En contraste, la masa no es una sustancia sino una propiedad cuantitativa de la materia y otras sustancias o sistemas; varios tipos de masa se definen dentro de la física , incluyendo, entre otros , masa en reposo , masa inercial , masa relativista , masa-energía .
Si bien hay 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 , que se sepa, aunque los científicos discuten el concepto. La antimateria tiene la misma propiedad de masa (es decir, positiva) que su contraparte de materia normal.
Diferentes campos de la ciencia usan el término materia de maneras diferentes, ya veces incompatibles. Algunas de estas formas se basan en significados históricos vagos, desde un momento en que no había razón para distinguir la masa de simplemente una cantidad de materia. Como tal, no existe un único significado científico universalmente acordado 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 compara simplemente con partículas que exhiben 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 la física como en la química , la materia exhibe propiedades similares a las ondas y similares a las partículas , las llamadasdualidad onda-partícula . [8] [9] [10]
Definición
Basado en atomos
Una definición de "materia" basada en su estructura física y química es: la materia está formada por átomos . [11]Tal materia atómica también se denomina a veces materia ordinaria . Como un ejemplo, de ácido desoxirribonucleico moléculas (ADN) son materia bajo esta definición ya que están hechos de átomos. Esta definición puede extenderse para incluir átomos cargados y moléculas, a fin de incluir plasmas (gases de iones) y electrolitos (soluciones iónicas), que no están obviamente incluidos en la definición de los átomos. Alternativamente, uno puede adoptar la definición de protones, neutrones y electrones .
Basado en protones, neutrones y electrones.
Una definición de "materia" más a escala fina que la definición de los átomos y las moléculas es: la materia está formada por los átomos y las moléculas de los que están hechos , es decir, cualquier cosa hecha de protonescargados positivamente , neutrones neutros y electrones cargados negativamente . [12] Sin embargo, esta definición va más allá de los átomos y las moléculas para incluir sustancias elaboradas a partir de estos bloques de construcción que no son simplemente átomos o moléculas, por ejemplo, haces de electrones en un viejo televisor de tubo de rayos catódicos o enana blanca.Materia: típicamente, los 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 la dualidad onda-partícula. A 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 las partículas elementales, una definición que sigue esta tradición puede decirse que "la materia ordinaria es todo lo que está compuesto de quarks y leptones ", o "la materia ordinaria es todo lo que está compuesto de cualquier fermión elemental, excepto los antiquarks y los antileptons" . [13] [14] [15] La conexión entre estas formulaciones es la siguiente.
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 expresar la definición como "la materia ordinaria es algo que está hecho de las mismas cosas de las que están hechos los átomos y las moléculas". (Sin embargo, observe que uno también puede hacer de estos bloques de construcción una materia que noesátomos o moléculas.) Entonces, como los electrones son leptones y los protones y los neutrones están formados por 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 antileptons, que pueden considerarse antimateria como se describe más adelante). Carithers y Grannis afirman: "La materia ordinaria está compuesta completamente de partículas de primera generación , a saber, los quarks [arriba] y [abajo], más el electrón y su neutrino". [14] (Las partículas de generaciones más altas se descomponen rápidamente en partículas de primera generación y, por lo tanto, no se encuentran comúnmente. [16] )
Esta definición de materia ordinaria es más sutil de lo que parece. Todas las partículas que forman la materia ordinaria (leptones y quarks) son fermiones elementales, mientras que todos los portadores de fuerza son bosones elementales. [17] Los bosones W y Z que median la fuerza débil no están hechos de quarks o leptones, por lo que no son materia ordinaria, incluso si tienen masa. [18] En otras palabras, la masa no es algo que sea exclusivo de la materia ordinaria.
Sin embargo, la definición de materia ordinaria de quark-lepton no solo identifica los bloques de construcción elementales de la materia, sino que también incluye compuestos compuestos de los constituyentes (átomos y moléculas, por ejemplo). Dichos compuestos contienen una energía de interacción que mantiene unidos a los constituyentes, y puede 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 sus protones, neutrones y electrones constituyentes. Sin embargo, al profundizar, los protones y los neutrones están formados por quarks unidos por campos de gluones (consulte la dinámica de la cromodinámica cuántica ) y estos campos de gluones contribuyen significativamente a la masa de los hadrones. [19] En otras palabras, la mayor parte de lo que compone la "masa" de la materia ordinaria se debe a laEnergía de unión de los quarks dentro de protones y neutrones. [20] Por ejemplo, la suma de la masa de los tres quarks en un nucleón es aproximadamente12.5 MeV / c 2 , que es bajo en comparación con la masa de un nucleón (aproximadamente938 MeV / c 2 ). [21] [22] 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 up y down , el electrón y el neutrino electrónico ; el segundo incluye el encanto y los quarks extraños , el muón y el neutrino muón ; La tercera generación está formada por los quarks top y bottom y los neutrinos tau y tau . [23] La explicación más natural para esto sería que los quarks y leptones de las generaciones más altas sonEstados entusiasmados de las primeras generaciones. Si este fuera el caso, implicaría que los quarks y los leptones son partículas compuestas , en lugar de partículas elementales . [24]
Esta definición de materia de quark-leptón también conduce a lo que se puede describir como leyes de "conservación de la materia (neta)", que se analiza más adelante. Alternativamente, uno podría regresar al concepto de materia-volumen-masa de la materia, llevando a la siguiente definición, en la cual la antimateria se incluye como una subclase de la materia.
Basado en fermiones elementales (masa, volumen y espacio)
Una definición común o tradicional de materia es "todo lo que tiene masa y volumen (ocupa espacio )". [25] [26]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 el espacio se remonta a la antigüedad. Sin embargo, una explicación de por qué la materia ocupa el espacio es reciente, y se argumenta que es un resultado del fenómeno descrito en el principio de exclusión de Pauli , [27] [28] que se aplica a los fermiones . Dos ejemplos particulares en los que el principio de exclusión relaciona claramente la materia con la ocupación del espacio son las estrellas enanas blancas y las estrellas de neutrones, que se analizan más adelante.
Así, la materia puede definirse como todo compuesto de fermiones elementales. Aunque no los encontramos en la vida cotidiana, los antiquarks (como el antiprotón ) y los antileptones (como el positrón ) son antipartículas del quark y el leptón, también son fermiones elementales y tienen esencialmente las mismas propiedades que los quarks y los leptones, incluida la aplicabilidad del principio de exclusión de Pauli, que se puede decir para evitar 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 se defina la materia para incluir cualquier cosa hecha de esta antimateriapartículas, 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 general la relatividad y la cosmología.
En el contexto de la relatividad , la masa no es una cantidad aditiva, en el sentido de que no se pueden agregar las masas de partículas en reposo en un sistema para obtener la masa de reposo total del sistema. [1] Por lo tanto, en la relatividad, por lo general, una visión más general es que no es la suma de las masas en reposo , sino el tensor energía-momento que cuantifica la cantidad de materia. Este tensor da la masa de descanso para todo el sistema. Por lo tanto, la "materia" a veces se considera como algo que contribuye a la energía-impulso de un sistema, es decir, cualquier cosa que no sea puramente gravedad. [29] [30] Esta opinión se sostiene comúnmente en campos que tratan con la relatividad general como la cosmología. Desde este punto de vista, la luz y otras partículas y campos sin masa forman parte de la "materia".
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