En física clásica y química general , materia es cualquier sustancia que tiene masa y ocupa espacio al tener volumen . [1] Todos los objetos cotidianos que se pueden tocar están compuestos en última instancia de átomos , que están formados por partículas subatómicas que interactúan , y en el uso cotidiano y 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 , ni otros fenómenos energéticos u ondas como la luz o el calor . [1] : 21 [2] 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, incluido el plasma , los condensados de Bose-Einstein , los condensados fermiónicos y el plasma de quarks-gluones. . [3]
Por lo general, los átomos pueden imaginarse como un núcleo de protones y neutrones , y una "nube" circundante de electrones en órbita que "ocupan espacio". [4] [5] Sin embargo, esto es sólo parcialmente 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 también como partículas , y no tienen tamaños ni posiciones bien definidas. 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 efectivamente obligados a mantener una distancia de otras partículas en condiciones cotidianas; esto crea la propiedad de la materia que nos aparece como materia ocupando espacio.
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 estaba formada por bloques de construcción discretos, la llamada teoría de las partículas de la materia , apareció tanto en la antigua Grecia como en la antigua India . [6] Los primeros filósofos que propusieron la teoría de las partículas de la materia incluyen al antiguo filósofo indio Kanada (c. siglo VI a. C. o después), [7] el filósofo griego presocrático Leucipo (~ 490 a. C.) y el filósofo griego presocrático. Demócrito (~470–380 a.C.). [8]
No se debe confundir la materia con la masa, ya que ambas no son lo mismo en la física moderna. [9] Materia es un término general que describe cualquier "sustancia física". Por el contrario, la masa no es una sustancia sino más bien una propiedad cuantitativa de la materia y otras sustancias o sistemas; En la física se definen varios tipos de masa , incluidas, entre otras , la masa en reposo , la masa inercial , la masa relativista y la masa-energía .
Si bien existen diferentes puntos de vista sobre lo que se debe considerar 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 algo llamado "antimasa" 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 contraparte de materia normal.
Los diferentes campos de la ciencia utilizan 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 significado científico único universalmente aceptado para 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" simplemente se equipara 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 física como en química , la materia exhibe propiedades tanto ondulatorias como partícula , la llamada dualidad onda-partícula . [10] [11] [12]
Una sustancia química es una forma única de materia con composición química constante y propiedades características . [13] [14] Las sustancias químicas pueden tomar la forma de un solo elemento o de compuestos químicos . Si dos o más sustancias químicas se pueden combinar sin reaccionar , pueden formar una mezcla química . [15] Si se separa una mezcla para aislar una sustancia química en el grado deseado, se dice que la sustancia resultante es químicamente pura . [dieciséis]
Las sustancias químicas pueden existir en varios estados o fases físicas diferentes (por ejemplo , sólidos , líquidos , gases o plasma ) sin cambiar su composición química. Las sustancias transitan entre estas fases de la materia en respuesta a cambios de temperatura o presión . Algunas sustancias químicas pueden combinarse o convertirse en nuevas sustancias mediante reacciones químicas . Se dice que las sustancias químicas que no poseen esta capacidad son inertes .
El agua pura es un ejemplo de sustancia química, con una composición constante de dos átomos de hidrógeno unidos a un solo átomo de oxígeno (es decir, H 2 O). La proporción atómica de hidrógeno a oxígeno es siempre de 2:1 en cada molécula de agua. El agua pura tenderá a hervir cerca de los 100 °C (212 °F), un ejemplo de una de las propiedades características que la definen. Otras sustancias químicas notables incluyen diamantes (formados a partir del elemento carbono ), sal de mesa (NaCl; un compuesto iónico ) y azúcar refinada (C 12 H 22 O 11 ; un compuesto orgánico ).Una definición de “materia” basada en su estructura física y química es: la materia está formada por átomos . [17] Esta materia atómica también se denomina a veces materia ordinaria . Por ejemplo, las moléculas de ácido desoxirribonucleico (ADN) son materia según esta definición porque están formadas por átomos. Esta definición se puede ampliar 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.
Una definición de "materia" a escala más fina que la definición de átomos y moléculas es: la materia está formada por el material del que están hechos los átomos y las moléculas , es decir, cualquier cosa hecha de protones con carga positiva , neutrones neutros y electrones con carga negativa . [18] Sin embargo, esta definición va más allá de los átomos y las moléculas e incluye sustancias formadas a partir de estos componentes básicos que no son simplemente átomos o moléculas, por ejemplo, los haces de electrones en un viejo televisor con tubo de rayos catódicos , o la materia de una enana blanca (típicamente, carbono y moléculas). núcleos de oxígeno en un mar de electrones degenerados. A nivel microscópico, las "partículas" constituyentes de la materia, como protones, neutrones y electrones, obedecen las leyes de la mecánica cuántica y exhiben dualidad onda-partícula. En un nivel aún más profundo, los protones y neutrones están formados por quarks y los campos de fuerza ( gluones ) que los unen, lo que lleva a la siguiente definición.
Como se vio en la discusión anterior, muchas de las primeras definiciones de lo que se puede llamar "materia ordinaria" se basaban en su estructura o "bloques de construcción". En la escala de partículas elementales, una definición que sigue esta tradición puede enunciarse como: "materia ordinaria es todo lo que está compuesto de quarks y leptones ", o "materia ordinaria es todo lo que está compuesto de cualesquiera fermiones elementales excepto antiquarks y antileptones". . [19] [20] [21] A continuación se muestra la conexión entre estas formulaciones.
Los leptones (el más famoso es el electrón ) y los quarks (de los cuales están hechos 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, observe que a partir de estos bloques de construcción también se puede hacer materia que no sea átomos ni moléculas.) Entonces, como los electrones son leptones, y los protones y neutrones están hechos de quarks, esta definición a su vez lleva a la definición de materia como materia. "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 enteramente de partículas de primera generación , a saber, los quarks [arriba] y [abajo], más el electrón y su neutrino". [20] (Las partículas de generaciones superiores se descomponen rápidamente en partículas de primera generación y, por lo tanto, no se encuentran comúnmente. [22] )
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. [23] 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. [24] En otras palabras, la masa no es algo exclusivo de la materia ordinaria.
Sin embargo, la definición de materia ordinaria quark-leptón identifica no sólo los componentes elementales de la materia, sino que también incluye compuestos formados 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. Por 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 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. [25] 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. [26] Por ejemplo, la suma de la masa de los tres quarks en un nucleón es aproximadamente12,5 MeV/ c 2 , que es baja en comparación con la masa de un nucleón (aproximadamente938 MeV/ c2 ) . [27] [28] 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 encantadores y extraños , el muón y el neutrino muónico ; la tercera generación está formada por los quarks superior e inferior y los neutrinos tau y tau . [29] 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 . [30]
Esta definición de materia quark-leptón también conduce a lo que puede describirse como leyes de "conservación de la materia (neta)", que se analizan más adelante. Alternativamente, se podría volver al concepto de materia masa-volumen-espacio, lo que llevaría a la siguiente definición, en la que la antimateria queda incluida como una subclase de materia.
Una definición común o tradicional de materia es "cualquier cosa que tenga masa y volumen (ocupe espacio )". [31] [32] 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 el resultado del fenómeno descrito en el principio de exclusión de Pauli , [33] [34] 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 aquello 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 del leptón, son también fermiones elementales y tienen esencialmente las mismas propiedades que los quarks y los quarks. leptones, incluida la aplicabilidad del principio de exclusión de Pauli, que se puede decir 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 compuestas de un quark y un antiquark.
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 de un sistema para obtener la masa total en reposo del sistema. [1] : 21 Por lo tanto, en relatividad generalmente una visión más general es que no es la suma de las masas en reposo , sino el tensor de energía-momento el que cuantifica la cantidad de materia. Este tensor da la masa en reposo para todo el sistema. Por lo tanto, a veces se considera "materia" como cualquier cosa que contribuya a la energía-momento de un sistema, es decir, cualquier cosa que no sea pura gravedad. [35] [36] Este punto de vista se sostiene 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 todos parte de la "materia".
En física de partículas, los fermiones son partículas que obedecen a la estadística de Fermi-Dirac . Los fermiones pueden ser elementales, como el electrón, o compuestos, como el protón y el neutrón. En el Modelo Estándar , existen dos tipos de fermiones elementales: quarks y leptones, que se analizan a continuación.
Los quarks son partículas masivas de espín -1 ⁄ 2 , lo que implica que son fermiones . Llevan una carga eléctrica de − 1 ⁄ 3 e (quarks de tipo abajo) o + 2 ⁄ 3 e (quarks de 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 de la interacción fuerte . Los quarks también sufren desintegración radiactiva , lo que significa que están sujetos a interacción débil .
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 suele referirse a los triquarks: partículas formadas por tres quarks. Además, los bariones "exóticos" formados por cuatro quarks y un antiquark se conocen como pentaquarks , pero su existencia no es generalmente aceptada.
La materia bariónica es la parte del universo que está formada por bariones (incluidos todos los átomos). Esta parte del universo no incluye energía oscura , materia oscura , agujeros negros ni diversas formas de materia degenerada, como las que componen las estrellas enanas blancas y las estrellas de neutrones . La luz de microondas vista por la Sonda de Anisotropía de Microondas Wilkinson (WMAP), sugiere que sólo alrededor del 4,6% de esa parte del universo dentro del alcance de los mejores telescopios (es decir, la materia que puede ser visible porque la luz podría llegar hasta nosotros desde ella), está hecha de materia bariónica. Aproximadamente el 26,8% es materia oscura y aproximadamente el 68,3% es energía oscura. [38]
La gran mayoría de la materia ordinaria del universo no se ve, ya que las estrellas visibles y el gas dentro de las galaxias y cúmulos representan menos del 10 por ciento de la contribución de la materia ordinaria a la densidad de masa y energía del universo. [39]
La materia hadrónica puede referirse a la materia bariónica "ordinaria", formada a partir de hadrones (bariones y mesones ), o a la materia de quarks (una generalización de los núcleos atómicos), es decir, la materia QCD de "baja" temperatura . [40] Incluye materia degenerada y el resultado de colisiones de núcleos pesados de alta energía. [41]
En física, la materia degenerada se refiere al estado fundamental de un gas de fermiones a una temperatura cercana al cero absoluto. [42] El principio de exclusión de Pauli requiere que sólo dos fermiones puedan ocupar un estado cuántico, uno de giro hacia arriba y el otro de giro hacia abajo. Por lo tanto, a temperatura cero, los fermiones llenan niveles suficientes para acomodar a 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 estrellas pesadas. [43] 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. [44]
La materia degenerada incluye la parte del universo que está formada por estrellas de neutrones y enanas blancas.
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 extraña, que es un líquido de quarks que contiene sólo quarks arriba y abajo. Con una densidad suficientemente alta, se espera que la materia extraña sea superconductora de color . Se supone que la materia extraña se produce en el núcleo de las estrellas de neutrones o, de manera más especulativa, como gotas aisladas que pueden variar en tamaño desde femtómetros ( extraños ) hasta kilómetros ( estrellas de quarks ).
En física de partículas y astrofísica , el término se utiliza de dos maneras, una más amplia y otra más específica.
Los leptones son partículas de espín -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 llevan carga de color , lo que significa que no experimentan interacción fuerte . Los leptones también sufren desintegración radiactiva, lo que significa que están sujetos a interacción débil . Los leptones son partículas masivas, por lo tanto están sujetos a la gravedad.
A granel, la materia puede existir en varias formas diferentes, o estados de agregación, conocidos como fases , [49] dependiendo de la presión , la temperatura y el volumen ambientales . [50] 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 fluido puede ser un líquido, un gas o un plasma. También existen fases paramagnéticas y ferromagnéticas de los materiales magnéticos . A medida que cambian las condiciones, la materia puede pasar 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 proporción enormemente aumentada entre el área de superficie y el volumen da como resultado una materia que puede exhibir propiedades completamente diferentes a las del material en masa, y no bien descritas por ninguna fase en masa (ver nanomateriales para más detalles).
A las fases a veces se les llama estados de la materia , pero este término puede llevar a confusión con los estados termodinámicos . Por ejemplo, dos gases mantenidos a diferentes presiones se encuentran en diferentes estados termodinámicos (diferentes presiones), pero en la misma fase (ambos son gases).
Asimetría bariónica . ¿Por qué hay mucha más materia que antimateria en el universo observable?
La antimateria es materia que está compuesta por las antipartículas de las que constituyen la materia ordinaria. Si una partícula y su antipartícula entran en contacto, las dos se aniquilan ; es decir, ambas pueden convertirse en otras partículas con igual energía de acuerdo con la ecuación de Albert Einstein E = mc 2 . Estas nuevas partículas pueden ser fotones de alta energía ( rayos gamma ) u otros pares partícula-antipartícula. 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 original partícula-antipartícula, que suele ser bastante grande. Dependiendo de la definición de "materia" que 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 cada vez más pequeñas (como resultado de la desintegración radiactiva , los rayos o los rayos cósmicos ). Esto se debe a que la antimateria que llegó a existir en la Tierra fuera de los confines 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 algunas antimateria estables (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 considerable especulación tanto en la ciencia como en la ciencia ficción sobre por qué el universo observable es aparentemente casi exclusivamente materia (en el sentido de quarks y leptones, pero no antiquarks o antileptones), y si otros lugares son casi exclusivamente antimateria (antiquarks y antileptones). . En el universo primitivo, se cree 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, [51] 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 bariogénesis .
Formalmente, las partículas de antimateria pueden definirse por su número bariónico o leptónico negativo , mientras que las partículas de materia "normal" (sin antimateria) tienen un número bariónico o leptónico positivo. [52] Estas dos clases de partículas son antipartículas asociadas entre sí.
En octubre de 2017, los científicos presentaron más pruebas de que la materia y la antimateria , producidas por igual en el Big Bang , son idénticas, deberían aniquilarse completamente entre sí y, como resultado, el universo no debería existir. [53] Esto implica que debe haber algo, aún desconocido para los científicos, que detuvo la completa destrucción mutua de la materia y la antimateria en el universo en formación temprana, o que dio lugar a un desequilibrio entre las dos formas.
En el modelo estándar se conservan dos cantidades que pueden definir una cantidad de materia en el sentido quark-leptón (y antimateria en el sentido antiquark-antileptón), el número bariónico y el número leptón . 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 la cantidad de quarks (menos la cantidad de antiquarks, cada uno de los cuales tiene un número bariónico de −1/3), que es proporcional al número bariónico y al número de leptones (menos antileptones), que se llama número leptónico, 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 que ninguna de estas partículas de materia se destruye realmente y ninguna se convierte. a partículas no materiales (como fotones de luz o radiación). En cambio, se libera energía de enlace nuclear (y quizás cromodinámica) , a medida que estos bariones se unen en núcleos de tamaño mediano que tienen menos energía (y, equivalentemente , menos masa) por nucleón en comparación con los originales pequeños (hidrógeno) y grandes (plutonio, etc.). ) núcleos. Incluso en la aniquilación electrón-positrón , no se destruye materia neta, porque para empezar, antes de la aniquilación había cero materia neta (número total de leptones y número bariónico cero) (un leptón menos un antileptón equivale a cero número leptónico neto), y esto La cantidad neta de materia no cambia, ya que simplemente permanece cero después de la aniquilación. [54]
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 de bariones/leptones generales no cambian, por lo que la materia se conserva. 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 generalmente disponible en el universo (ver asimetría bariónica y leptogénesis ), por lo que la aniquilación de partículas es rara en circunstancias normales.
Gráfico circular que muestra las fracciones de energía del universo aportadas por diferentes fuentes. La materia ordinaria se divide en materia luminosa (las estrellas y los gases luminosos y un 0,005% de radiación) y materia no luminosa (gas intergaláctico y aproximadamente un 0,1% de neutrinos y un 0,04% de agujeros negros supermasivos). La materia ordinaria es poco común. Siguiendo el modelo de Ostriker y Steinhardt. [55] Para obtener más información, consulte NASA.
La materia ordinaria, en la definición de quarks y leptones, constituye aproximadamente el 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 [56] [57] y el 73% es energía oscura . [58] [59]
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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 efectos gravitacionales sobre la materia visible. [63] [64] La evidencia observacional del universo temprano y la teoría del Big Bang requieren que esta materia tenga energía y masa, pero 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 . [63] Como tal, está compuesto de partículas que aún no se han observado en el laboratorio. Quizás sean partículas supersimétricas , [65] que no son partículas del modelo estándar sino reliquias formadas a energías muy altas en la fase temprana del universo y que aún flotan. [63]
En cosmología , energía oscura es el nombre que se le da a la fuente de influencia repelente que está acelerando el ritmo 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 densidad de energía y presión, al vacío mismo. [66] [67]
El 70% de la densidad de materia del universo parece estar en forma de energía oscura. El veintiséis por ciento es materia oscura. Sólo el 4% es materia ordinaria. Así que menos de 1 parte de 20 está hecha de materia que hemos observado experimentalmente o descrita en el modelo estándar de física de partículas. Del 96% restante, aparte de las propiedades que acabamos de mencionar, no sabemos absolutamente nada.
— Lee Smolin (2007), El problema de la física , pág. dieciséis
La materia exótica es un concepto de la física de partículas , que puede incluir materia oscura y 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 .
En la antigua India , las tradiciones filosóficas budista , hindú y jainista postulaban que la materia estaba hecha de átomos ( paramanu , pudgala ) que eran "eternos, indestructibles, sin partes e innumerables" y que se asociaban o disociaban para formar materia más compleja según a las leyes de la naturaleza . [6] Combinaron sus ideas sobre el alma, o la falta de ella, en su teoría de la materia. Los más fuertes promotores y defensores de esta teoría fueron la escuela Nyaya - Vaisheshika , siendo las ideas del filósofo indio Kanada las más seguidas. [6] [7] Los filósofos budistas también desarrollaron estas ideas a finales del primer milenio d.C., ideas que eran similares a la escuela Vaisheshika, pero que no incluían alma ni conciencia. [6] Los filósofos jainistas incluyeron el alma ( jiva ), añadiendo cualidades como el gusto, el olfato, el tacto y el color a cada átomo. [68] Ampliaron las ideas encontradas en la literatura temprana de los hindúes y budistas agregando que los átomos son húmedos o secos, y esta cualidad cementa la importancia. También propusieron la posibilidad de que los átomos se combinen debido a la atracción de los opuestos, y el alma se adhiera a estos átomos, se transforme con residuos de karma y transmigre con cada renacimiento . [6]
En la antigua Grecia , los filósofos presocráticos especulaban 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 era ilimitado: el Infinito ( apeiron ). Anaxímenes (floreció en 585 a. C., m. 528 a. C.) postuló que lo básico era 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. [69] 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. [70]
Aristóteles (384-322 a. C.) fue el primero en poner la concepción sobre una base filosófica sólida, lo que hizo en su filosofía natural, especialmente en el libro I de Física . [71] Adoptó como suposiciones razonables los cuatro elementos de Empédocles , pero añadió un quinto, 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 materia y forma.
Porque mi definición de la materia es justamente ésta: el sustrato primario de cada cosa, del que surge sin cualificación y que persiste en el resultado.
— Aristóteles, Física I:9:192a32
La palabra que Aristóteles utiliza para materia, ὕλη ( hyle o hule ) , puede traducirse literalmente como madera o madera, es decir, "materia prima" para la construcción. [72] De hecho, la concepción de la materia en Aristóteles está intrínsecamente ligada a algo que se hace o se compone. En otras palabras, en contraste con la concepción moderna temprana de que la materia simplemente ocupaba espacio, para Aristóteles la materia está vinculada por definición 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 sí algún aspecto de ella: su materia. La materia no se describe específicamente (por ejemplo, como átomos ), sino que consiste en todo lo que persiste en el cambio de sustancia de la hierba al caballo. En esta comprensión, la materia no existe de forma independiente (es decir, como sustancia ), sino que existe de forma interdependiente (es decir, como "principio") con la forma y sólo en la medida en que subyace al cambio. Puede resultar 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 puede recibir actualidad de la forma; no tiene actividad ni actualidad en sí mismo, de manera similar a como las partes como tales sólo tienen existencia en un todo (de lo contrario serían todos independientes).
El filósofo francés René Descartes (1596-1650) creó la concepción moderna de la materia. Era principalmente 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 el espacio:
Así, pues, 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 que es atribuible al cuerpo presupone la extensión y no es más que un modo de una cosa extendida.
— René Descartes, Principios de Filosofía [73]
Para Descartes, la materia sólo tiene la propiedad de extensión, por lo que su única actividad aparte de la locomoción es excluir otros cuerpos: [74] esta es la filosofía mecánica . Descartes hace una distinción absoluta entre la mente, que define como sustancia pensante e inextendida, y la materia, que define como sustancia extendida e irreflexiva. [75] Son cosas independientes. Por el contrario, 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 realmente están hechas las cosas (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 interdependiente, mientras que para Descartes, la materia y la inteligencia (mente) son sustancias independientes, por definición, opuestas . [76]
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. [77] 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 sólo productos de la percepción humana. [78]
El filósofo inglés 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". [79] 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 desgastaban ni se rompían en pedazos". [80] 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. [81]
Newton desarrolló la noción de materia de Descartes devolviéndole propiedades intrínsecas además de la extensión (al menos de forma limitada), como la masa. El uso que hizo Newton de la fuerza gravitacional, que actuaba "a distancia", repudió efectivamente la mecánica de Descartes, en la que las interacciones se producían exclusivamente por contacto. [82]
Aunque la gravedad de Newton parecía ser una potencia de los cuerpos, el propio Newton no admitía que fuera una propiedad esencial de la materia. Llevando adelante la lógica de manera más consistente, Joseph Priestley (1733-1804) argumentó que las propiedades corporales trascienden la mecánica de contacto: las propiedades químicas requieren la capacidad de atracción. [82] Argumentó que la materia tiene otros poderes inherentes además de las llamadas cualidades primarias de Descartes, et al. [83]
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 átomos formaron moléculas y compuestos . [84]
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 más bien 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 inició una rápida evolución.
Algunos aspectos de la visión newtoniana todavía dominaban. James Clerk Maxwell analizó la materia en su obra Matter and Motion . [85] 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, el panorama newtoniano 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. [86] [ se necesita más explicación ] Una discusión en un libro de texto de 1870 sugiere que la materia es lo que está formado por átomos: [87]
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 de materia más pequeña en la 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 tener simplemente los atributos de masa y ocupar espacio, se consideraba 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. [88]
A finales del siglo XIX, con el descubrimiento del electrón , y a principios del siglo XX, con el experimento de 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" de principios del siglo XX, [89] hasta la más reciente "estructura de los quarks de la materia", introducida ya en 1992 por Jacob con el comentario: "La comprensión de la estructura de los quarks de la materia ha sido uno de los avances más importantes de la física contemporánea". [90] [ se necesita más explicación ] En este sentido, los físicos hablan de campos de materia y hablan de partículas como "excitaciones cuánticas de un modo del campo de materia". [10] [11] Y aquí hay una cita de Sabbata y Gasperini: "Con la palabra "materia" denotamos, en este contexto, las fuentes de las interacciones, es decir, los campos de espinores (como los quarks y los leptones ), que son Se cree que son los componentes fundamentales de la 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 )". [91] [ se necesita más explicación ]
Sin embargo, los protones y los neutrones no son indivisibles: se pueden dividir en quarks . Y los electrones forman 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 universitario los consideraron los constituyentes fundamentales de la materia. [92]
Estos quarks y leptones interactúan a través de cuatro fuerzas fundamentales : gravedad , electromagnetismo , interacciones débiles e interacciones fuertes . El modelo estándar de 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; sólo lo describe la física clásica (ver gravedad cuántica y gravitón ) [93] 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. [94] Las partículas portadoras de fuerza no son en sí mismas bloques de construcción. Como consecuencia, la masa y la energía (que hasta donde sabemos no pueden crearse ni destruirse) no siempre pueden estar relacionadas con la materia (que puede crearse a partir de partículas no materiales como los fotones, o incluso a partir de energía pura, como la cinética). energía). [ cita necesaria ] Los mediadores de fuerza generalmente no se consideran 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 se consideran materia. . [95] Sin embargo, si bien estos cuantos no se consideran materia, sí contribuyen a la masa total de los átomos, las partículas subatómicas y todos los sistemas que los contienen. [96] [97]
La concepción moderna de la materia se ha perfeccionado muchas veces a lo largo de la historia, a la luz de la mejora en el conocimiento de cuáles son los elementos básicos y cómo interactúan. El término "materia" se utiliza en toda la física en una amplia variedad de contextos: por ejemplo, se hace referencia a " física de la materia condensada ", [98] "materia elemental", [99] 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 ). [100] Es justo decir que en física , no existe un amplio consenso en cuanto a una definición general de materia, y el término "materia" generalmente se usa junto con un modificador especificador.
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 se define la materia a nivel atómico o de partículas elementales. Se puede utilizar 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. [101]
Estos quarks y leptones interactúan a través de cuatro fuerzas fundamentales : gravedad , electromagnetismo , interacciones débiles e interacciones fuertes . El modelo estándar de 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; sólo está descrito por la física clásica (ver gravedad cuántica y gravitón ). [93]
campo de la materia.
La materia ordinaria está compuesta enteramente de partículas de primera generación, a saber, los quarks u y d, más el electrón y su neutrino.
(Del resumen:)
Los números bariónicos positivos (A>0) y los números leptónicos positivos (L>0) caracterizan las partículas de materia, mientras que los números bariónicos negativos y los números leptónicos negativos caracterizan las partículas de antimateria.
Las partículas de materia y las partículas de antimateria pertenecen a dos clases distintas de partículas.
Las partículas de materia neutra son partículas caracterizadas por un número bariónico cero y un número leptónico cero.
Esta tercera clase de partículas incluye mesones formados por un par de quarks y antiquarks (un par de partículas de materia y partículas de antimateria) y bosones que son mensajeros de interacciones conocidas (fotones para el electromagnetismo, bosones W y Z para la interacción débil, gluones para la interacción débil). fuerte interacción).
La antipartícula de una partícula de materia pertenece a la clase de partículas de antimateria, la antipartícula de una partícula de antimateria pertenece a la clase de partículas de materia.
[L]a explicación más natural a la existencia de generaciones superiores de quarks y leptones es que corresponden a estados excitados de la primera generación, y la experiencia sugiere que los sistemas excitados deben ser compuestos.
Todos los libros de texto de ciencias básicas definen la materia simplemente como el agregado colectivo de todas las sustancias materiales que ocupan el espacio y tienen masa o peso.
Campos de materia : los campos cuyos cuantos describen las partículas elementales que componen el contenido material del Universo (a diferencia de los gravitones y sus compañeros supersimétricos).
(Del resumen:)
Las partículas de antimateria se caracterizan por un número bariónico negativo A o/y un número leptónico negativo L. La materialización y la aniquilación obedecen a la conservación de A y L (asociadas a todas las interacciones conocidas)
(Del resumen:)
La conservación de la materia significa la conservación del número bariónico A y del número leptónico L, siendo A y L números algebraicos.
A y L positivos están asociados a partículas de materia, A y L negativos están asociados a partículas de antimateria.
Todas las interacciones conocidas conservan la materia.
