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 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 compuesta por ellos, y cualquier partícula (o combinación de partículas ) que actúe como si tuviera masa en reposo y volumen . Sin embargo, no incluye partículas sin masa como los fotones u 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 y 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 solo parcialmente correcto porque las partículas subatómicas y sus propiedades están gobernadas por su naturaleza cuántica , lo que significa que no actúan como parecen actuar los objetos cotidianos: pueden actuar como ondas y partículas , y no tienen tamaños o posiciones bien definidos. En el Modelo Estándar de la 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 parece como materia que ocupa 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 partículas de la materia , apareció tanto en la antigua Grecia como en la antigua India . [6] Los primeros filósofos que propusieron la teoría de 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 debe confundirse materia con masa, ya que en la física moderna no son lo mismo. [9] Materia es un término general que describe cualquier "sustancia física". Por el contrario, masa no es una sustancia sino una propiedad cuantitativa de la materia y otras sustancias o sistemas; en física se definen varios tipos de masa , entre los que se incluyen, entre otros, masa en reposo , masa inercial , masa relativista y 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 tal cosa como "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.
Distintos campos científicos utilizan el término materia de formas diferentes y, a veces, incompatibles. Algunas de estas formas se basan en significados históricos vagos de una época en la que no había ninguna razón para distinguir la masa de una simple 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 la "materia" se puede definir de varias formas. A veces, en el campo de la física, la "materia" se equipara 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 física como en química , la materia exhibe propiedades tanto ondulatorias como corpusculares , la llamada dualidad onda-partícula . [10] [11] [12]
Una sustancia química es una forma única de materia con una 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 una mezcla se separa para aislar una sustancia química hasta un grado deseado, se dice que la sustancia resultante es químicamente pura . [16]
Las sustancias químicas pueden existir en varios estados físicos o fases diferentes (por ejemplo, sólidos , líquidos , gases o plasma ) sin cambiar su composición química. Las sustancias pasan de una fase a otra de la materia en respuesta a cambios de temperatura o presión . Algunas sustancias químicas pueden combinarse o convertirse en nuevas sustancias mediante reacciones químicas . Las sustancias químicas que no poseen esta capacidad se denominan 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, H2O ) . La proporción atómica de hidrógeno a oxígeno es siempre de 2:1 en cada molécula de agua. El agua pura tiende 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 el diamante (una forma del elemento carbono ), la sal de mesa (NaCl ; un compuesto iónico ) y el azúcar refinado ( C12H22O11 ; un compuesto orgánico ).Una definición de "materia" basada en su estructura física y química es: la materia está formada por átomos . [17] A esta materia atómica también se la 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 una escala más fina que la definición de átomos y moléculas es: la materia está formada de lo 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, para incluir sustancias hechas 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 materia enana blanca , típicamente, núcleos de carbono y 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. A un nivel aún más profundo, los protones y neutrones están formados por quarks y los campos de fuerza ( gluones ) que los unen, lo que conduce a la siguiente definición.
Como se ha visto en la discusión anterior, muchas de las primeras definiciones de lo que puede llamarse "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 cualquier fermión elemental excepto antiquarks y antileptones". [19] [20] [21] La conexión entre estas formulaciones es la siguiente.
Los leptones (el más famoso es el electrón ) y los quarks (de los que están hechos los bariones , como los protones y los neutrones ) se combinan para formar átomos , que a su vez forman moléculas . Como 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 que los átomos y las moléculas". (Sin embargo, observe que también se puede hacer a partir de estos bloques de construcción materia que no sea átomos o moléculas). Entonces, como los electrones son leptones y los protones y los 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 enteramente de partículas de primera generación , es decir, los quarks [up] y [down], más el electrón y su neutrino". [20] (Las partículas de generaciones superiores se desintegran 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, y por lo tanto 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 de quarks y leptones no solo identifica los bloques de construcción elementales de la materia, sino que también incluye compuestos hechos de los constituyentes (átomos y moléculas, por ejemplo). Estos 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 sus protones, neutrones y electrones constituyentes. Sin embargo, profundizando, 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 bajo en comparación con la masa de un nucleón (aproximadamente938 MeV/ c 2 ). [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 está formada por los quarks up y down , el electrón y el neutrino electrónico ; la segunda incluye los quarks charm y strange , el muón y el neutrino muónico ; la tercera generación está formada por los quarks top y bottom 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 leptones son partículas compuestas , en lugar de partículas elementales . [30]
Esta definición de materia basada en quarks y leptones también conduce a lo que se puede describir como leyes de "conservación de la materia (neta)", que se analizan más adelante. Como alternativa, se podría volver al concepto de materia de masa-volumen-espacio, lo que conduce a la siguiente definición, en la que la antimateria queda incluida como una subclase de la materia.
Una definición común o tradicional de materia es "todo lo que tiene masa y volumen (ocupa 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 sostiene que es 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 lo que está compuesto de 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, son también fermiones elementales y tienen esencialmente las mismas propiedades que los quarks y los leptones, incluida la aplicabilidad del principio de exclusión de Pauli, que puede decirse que impide 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 todo lo que esté hecho de estas partículas de antimateria , así como el quark y el leptón ordinarios, y, por lo tanto, también todo lo que esté hecho de mesones , que son partículas inestables formadas por 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 en reposo total del sistema. [1] : 21 En relatividad, normalmente 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 de todo el sistema. Por tanto, a veces se considera que la materia es todo aquello que contribuye a la energía-momento de un sistema, es decir, todo aquello que no sea pura gravedad. [35] [36] Esta visión se mantiene habitualmente en campos que tratan la relatividad general , como la cosmología . En esta visión, 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 , hay dos tipos de fermiones elementales: los quarks y los 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 down) o + 2 ⁄ 3 e (quarks de tipo up). 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 desintegración radiactiva , lo que significa que están sujetos a la interacción débil .
Los bariones son fermiones que interactúan fuertemente, por lo que están sujetos a la estadística de Fermi-Dirac. Entre los bariones se encuentran los protones y 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. Asimismo, los bariones "exóticos" formados por cuatro quarks y un antiquark se conocen como pentaquarks , pero su existencia no suele aceptarse.
La materia bariónica es la parte del universo que está formada por bariones (incluidos todos los átomos). Esta parte del universo no incluye la energía oscura , la materia oscura , los agujeros negros o varias 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 solo alrededor del 4,6% de esa parte del universo dentro del alcance de los mejores telescopios (es decir, 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 es invisible, ya que las estrellas visibles y el gas 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-energía del universo. [39]
La materia hadrónica puede referirse a la 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 . [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 solo dos fermiones puedan ocupar un estado cuántico, uno con espín hacia arriba y el otro con espín hacia abajo. Por lo tanto, a temperatura cero, los fermiones llenan niveles suficientes para dar cabida 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 del número de fermiones en lugar de la temperatura, a diferencia de los estados normales de la materia.
Se cree que la materia degenerada se produce durante la evolución de las 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 up , down y strange . Se contrasta con la materia nuclear , que es un líquido de neutrones y protones (que a su vez están formados por quarks up y down), y con la materia no extraña de quarks, que es un líquido de quarks que contiene solo quarks up y down. A una densidad suficientemente alta, se espera que la materia extraña sea superconductora de color . Se plantea la hipótesis de que la materia extraña se encuentra en el núcleo de las estrellas de neutrones o, de manera más especulativa, como gotitas aisladas que pueden variar en tamaño desde femtómetros ( strangelets ) 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 la interacción fuerte . Los leptones también sufren desintegración radiactiva, lo que significa que están sujetos a la interacción débil . Los leptones son partículas masivas, por lo tanto están sujetos a la gravedad.
En masa, la materia puede existir en varias formas diferentes, o estados de agregación, conocidos como fases , [49] dependiendo de la presión ambiental , la temperatura y el volumen . [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 conocidas ( 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 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 enormemente mayor entre el área superficial y el volumen da como resultado materia que puede exhibir propiedades completamente diferentes de las del material en masa, y que no están bien descritas por ninguna fase en masa (ver nanomateriales para más detalles).
A las fases se las denomina a veces estados de la materia , pero este término puede llevar a 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).
La antimateria es la materia que se compone de las antipartículas de las que constituyen la materia ordinaria. Si una partícula y su antipartícula entran en contacto entre sí, las dos se aniquilan ; es decir, ambas pueden convertirse en otras partículas con igual energía de acuerdo con la ecuación de Albert Einstein E = mc2 . 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 partícula-antipartícula original, que a menudo es bastante grande. Dependiendo de la definición de "materia" que se adopte, se puede decir que la antimateria es una subclase particular de la materia, o lo opuesto de la materia.
La antimateria no se encuentra de forma natural en la Tierra, excepto en muy breves períodos y en cantidades extremadamente pequeñas (como resultado de la desintegración radiactiva , los rayos o los rayos cósmicos ). Esto se debe a que la antimateria que llegara 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 se aniquilaría. Las antipartículas y cierta antimateria estable (como el antihidrógeno ) se pueden producir en cantidades minúsculas, 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 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 cambio. En el universo primitivo, se piensa 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 (carga-paridad) , que puede obtenerse 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 sin resolver en física . Los posibles procesos por los que se produjo se exploran con más detalle en bariogénesis .
Formalmente, las partículas de antimateria se pueden definir por su número bariónico negativo o número leptónico , mientras que las partículas de materia "normal" (no antimateria) tienen número bariónico o leptónico positivo. [52] Estas dos clases de partículas son antipartículas asociadas entre sí.
En octubre de 2017, los científicos informaron más evidencia de que la materia y la antimateria , producidas igualmente 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 destrucción mutua completa 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 magnitudes que pueden definir una cantidad de materia en el sentido de quarks y leptones (y de antimateria en el sentido de antiquarks y antileptones), el número bariónico y el número leptónico . Un barión, como el protón o el neutrón, tiene un número bariónico de uno, y a un quark, como hay tres en un barión, se le asigna un número bariónico de 1/3. Por lo tanto, la cantidad neta de materia, medida por el número de quarks (menos el número de antiquarks, que tienen cada uno un número bariónico de −1/3), que es proporcional al número bariónico, y el número de leptones (menos los antileptones), que se denomina número leptónico, es prácticamente imposible de cambiar en cualquier proceso. Incluso en una bomba nuclear, ninguno de los bariones (protones y neutrones de los que se 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 siquiera en partículas no materiales (como fotones de luz o radiación). En cambio, se libera energía de enlace nuclear (y quizás cromodinámica) , ya que estos bariones se unen en núcleos de tamaño mediano que tienen menos energía (y, equivalentemente , menos masa) por nucleón en comparación con los núcleos originales pequeños (hidrógeno) y grandes (plutonio, etc.). Incluso en la aniquilación electrón-positrón , no se destruye materia neta, porque antes de la aniquilación no había materia neta (número total de leptones y número de bariones cero) para empezar (un leptón menos un antileptón es igual a un número neto de leptones cero) y esta 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 de bariones y leptones. Los bariones y leptones pueden crearse, pero su creación va acompañada de antibariones o antileptones; y pueden destruirse 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 todos 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.
Diagrama circular que muestra las fracciones de energía en el universo aportadas por diferentes fuentes. La materia ordinaria se divide en materia luminosa (las estrellas y los gases luminosos y el 0,005 % de radiación) y materia no luminosa (gas intergaláctico y alrededor del 0,1 % de neutrinos y el 0,04 % de agujeros negros supermasivos). La materia ordinaria es poco común. Modelado a partir 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 cree 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 a partir de los 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 visión comúnmente aceptada es que la mayor parte de la materia oscura es de naturaleza no bariónica . [63] Como tal, está compuesta de partículas aún no observadas 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 , la energía oscura es el nombre que se le da a la fuente de la influencia repulsiva que acelera 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 . [66] [67]
El 70% de la densidad de materia del universo parece estar en forma de energía oscura. El 26% es materia oscura y sólo el 4% es materia ordinaria. Por lo tanto, menos de una parte de cada 20 está formada por 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. 16
La materia exótica es un concepto de la física de partículas que puede incluir la materia oscura y la energía oscura, pero que va más allá e incluye cualquier material hipotético que viole una o más de las propiedades de las formas conocidas de materia. Algunos de estos materiales podrían poseer propiedades hipotéticas como la masa negativa .
En la antigua India , las tradiciones filosóficas budista , hindú y jainista postularon 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 de acuerdo con las leyes de la naturaleza . [6] Combinaban sus ideas de alma, o falta de ella, con su teoría de la materia. Los desarrolladores y defensores más fuertes 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 fines del primer milenio d. C., ideas que eran similares a las de la escuela Vaisheshika, pero que no incluían alma ni conciencia. [6] Los filósofos jainistas incluyeron el alma ( jiva ), agregando cualidades como gusto, olfato, tacto y color a cada átomo. [68] Ampliaron las ideas que se encuentran en la literatura temprana de los hindúes y budistas al agregar que los átomos son húmedos o secos, y esta cualidad cementa la materia. 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 el residuo del karma y transmigre con cada renacimiento . [6]
En la antigua Grecia , los filósofos presocráticos especularon sobre la naturaleza subyacente del mundo visible. Tales (c. 624 a. C.–c. 546 a. C.) consideraba que el agua era el material fundamental del mundo. Anaximandro (c. 610 a. C.–c. 546 a. C.) postuló que el material básico era totalmente carente de carácter o ilimitado: el Infinito ( apeiron ). Anaxímenes (floreció en 585 a. C., murió en 528 a. C.) postuló que la materia básica era pneuma o aire. Heráclito (c. 535 a. C.–c. 475 a. C.) parece decir que el elemento básico es el fuego, aunque tal vez 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 sostenía que el cambio no existe, y Demócrito sostenía 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 a. C.-322 a. C.) fue el primero en sentar una base filosófica sólida para esta concepción, lo que hizo en su filosofía natural, especialmente en el libro I de Física . [71] Adoptó como supuestos razonables los cuatro elementos de Empédocles , pero añadió 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, están compuestos de los principios básicos materia y forma.
Mi definición de materia es precisamente ésta: el sustrato primario de cada cosa, del cual llega a ser sin calificación y que persiste en el resultado.
— Aristóteles, Física I:9:192a32
La palabra que Aristóteles usa para materia, ὕλη ( hyle o hule ) , puede traducirse literalmente como madera o madera aserrada, es decir, "materia prima" para la construcción. [72] De hecho, la concepción de materia de Aristóteles está intrínsecamente vinculada 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 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 hierba a caballo. La materia en esta comprensión no existe de forma independiente (es decir, como una sustancia ), sino que existe de forma interdependiente (es decir, como un "principio") con la forma y solo en la medida en que subyace al cambio. Puede resultar útil concebir la relación entre materia y forma como algo 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 misma, de manera similar a cómo las partes como tales sólo tienen su existencia en un todo (de lo contrario, serían todos independientes).
El filósofo francés René Descartes (1596-1650) fue el creador de la concepción moderna de la materia. Era fundamentalmente un geómetra. A diferencia de Aristóteles, que dedujo la existencia de la materia a partir de la realidad física del cambio, Descartes postuló arbitrariamente que la materia era una sustancia matemática abstracta que ocupaba 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 atribuible al cuerpo presupone la extensión y es sólo un modo de una cosa extensa.
— René Descartes, Principios de filosofía [73]
Para Descartes, la materia sólo tiene la propiedad de la extensión, por lo que su única actividad aparte de la locomoción es excluir otros cuerpos: [74] ésta es la filosofía mecanicista . Descartes hace una distinción absoluta entre la mente, que define como sustancia inextensiva y pensante, y la materia, que define como sustancia no pensante y extensa. [75] Son cosas independientes. En cambio, Aristóteles define la materia y el principio formal/formativo como principios complementarios que juntos componen una cosa independiente ( sustancia ). En resumen, Aristóteles define la materia (a grandes rasgos) como aquello de lo que están hechas realmente las cosas (con una existencia potencial independiente), pero Descartes eleva la materia a una cosa real e independiente en sí misma.
Cabe destacar 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 y opuestas por definición . [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 a 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 del 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, macizas, duras, impenetrables y móviles", que eran "... 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 al restaurar a la materia propiedades intrínsecas además de la extensión (al menos de manera limitada), como la masa. El uso que Newton hizo de la fuerza gravitatoria, que funcionaba "a distancia", repudió efectivamente la mecánica de Descartes, en la que las interacciones ocurrían exclusivamente por contacto. [82]
Aunque la gravedad de Newton parecería ser una potencia de los cuerpos, el propio Newton no admitió que fuera una propiedad esencial de la materia. Llevando la lógica a un nivel más coherente, Joseph Priestley (1733-1804) sostuvo que las propiedades corporales trascienden la mecánica de contacto: las propiedades químicas requieren la capacidad de atracción. [82] Sostuvo que la materia tiene otras potencias inherentes además de las llamadas cualidades primarias de Descartes y otros. [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 , los átomos fueron vistos como los constituyentes fundamentales de la materia; los átomos formaban moléculas y compuestos . [84]
La definición común en términos de ocupación de espacio y de tener masa contrasta con la mayoría de las definiciones físicas y químicas de la materia, que se basan 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 a evolucionar rápidamente.
Algunos aspectos de la concepción newtoniana todavía prevalecían. James Clerk Maxwell analizó la materia en su obra Materia y movimiento . [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, la imagen newtoniana no lo es todo. En el siglo XIX, el término "materia" fue objeto de intensos debates entre numerosos científicos y filósofos, y se puede encontrar un breve resumen en Levere. [86] [ Se necesita más explicación ] Un análisis 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 más pequeña de materia 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 creía 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 interesó en 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 descubrimiento del núcleo atómico mediante el experimento Geiger-Marsden y el nacimiento de la física de partículas , se consideró que la materia estaba formada por electrones, protones y neutrones que interactuaban para formar átomos. A partir de entonces se desarrolló toda una literatura sobre la "estructura de la materia", que abarcaba desde la "estructura eléctrica" a principios del siglo XX, [89] hasta la más reciente "estructura de quarks de la materia", introducida ya en 1992 por Jacob con la observación: "La comprensión de la estructura de 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 de partículas como "excitaciones cuánticas de un modo del campo de materia". [10] [11] 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 de espinor (como los quarks y los leptones ), que se cree que son los componentes fundamentales de la materia, o los campos escalares , como las partículas de Higgs , que se utilizan para introducir masa en una teoría de calibre (y que, sin embargo, podrían estar compuestas de campos de fermiones más fundamentales )." [91] [ se necesita más explicación ]
Sin embargo, los protones y los neutrones no son indivisibles: pueden dividirse 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 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; solo se describe mediante 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 los 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 actualmente no se pueden crear ni destruir) no siempre se pueden relacionar con la materia (que puede crearse a partir de partículas no materiales como los fotones, o incluso de energía pura, como la energía cinética). [ cita requerida ] 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, aunque 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 refinado muchas veces en la historia, a la luz de la mejora en el conocimiento de cuáles son los bloques básicos de construcción y cómo interactúan. El término "materia" se utiliza en toda la física en una amplia variedad de contextos: por ejemplo, uno se refiere a " física de materia condensada ", [98] "materia elemental", [99] materia " partónica ", materia " oscura ", " antimateria ", materia " extraña " y materia " nuclear ". En las discusiones sobre materia y antimateria , Alfvén se ha referido a la primera como koinomateria (gr. materia común ). [100] Es justo decir que en física , no hay 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 elementos básicos según se defina 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 de toda la física, pero a pesar de décadas de esfuerzos, la gravedad aún no puede explicarse a nivel cuántico; solo se describe mediante la física clásica (véase Gravedad cuántica y gravitón ). [93]
campo de materia.
La materia ordinaria está compuesta enteramente de partículas de primera generación, es decir, 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 a las partículas de materia, mientras que los números bariónicos negativos y los números leptónicos negativos caracterizan a 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 que se caracterizan tanto por un número bariónico cero como por un número leptónico cero. Esta tercera clase de partículas incluye los mesones formados por un par de quarks y antiquarks (un par de partículas de materia y antimateria) y los bosones, que son mensajeros de interacciones conocidas (los fotones para el electromagnetismo, los bosones W y Z para la interacción débil, los gluones para la interacción fuerte). 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 de 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.
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 forman el contenido material del Universo (a diferencia de los gravitones y sus socios 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 (asociada a todas las interacciones conocidas).
(Del resumen:)
La conservación de la materia implica la conservación del número bariónico A y del número leptónico L, siendo A y L números algebraicos. Los positivos A y L están asociados a partículas de materia, los negativos A y L están asociados a partículas de antimateria. Todas las interacciones conocidas conservan la materia.
