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Este artículo trata sobre el concepto en las ciencias físicas. Para otros usos, consulte Materia (desambiguación) .

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La materia generalmente se clasifica en tres estados clásicos , y el plasma a veces se agrega como un cuarto estado. De arriba a abajo: cuarzo ( sólido ), agua ( líquido ), dióxido de nitrógeno ( gas ) y un globo de plasma ( plasma ).

En la física clásica y la química general , la materia es cualquier sustancia que tiene masa y ocupa espacio por tener volumen . [1] Todos los objetos cotidianos que se pueden tocar están compuestos en última instancia por 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 actúan como si tuvieran tanto masa en reposo como volumen. Sin embargo, no incluye partículas sin masa como fotones., u otros fenómenos energéticos u ondas como la luz . [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 otros estados son posibles, incluido el plasma , los condensados ​​de Bose-Einstein , los condensados ​​fermiónicos y el plasma de quarks y gluones. . [3]

Por lo general, los átomos se pueden imaginar como un núcleo de protones y neutrones , y una "nube" circundante de electrones en órbita que "ocupan espacio". [4] [5] Sin embargo, esto es solo algo 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 tanto como ondas como partículas y no tienen tamaños o posiciones bien definidos. En el modelo estándar de física de partículas , la materia no es un concepto fundamental porque los constituyentes elementales de los átomos sonentidades cuánticas que no tienen un "tamaño" o " volumen " 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 las condiciones cotidianas; esto crea la propiedad de la materia que nos aparece 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 se construyó a partir de bloques de construcción discretos, la llamada teoría particulada de la materia , apareció de forma independiente en la antigua Grecia y la antigua India entre los budistas , hindúes y jainistas en el primer milenio antes de Cristo. [6] Los filósofos antiguos que propusieron la teoría particulada de la materia incluyen a Kanada (c. Siglo VI aC o después), [7] Leucipo (~ 490 aC) y Demócrito (~ 470-380 aC). [8]

Comparación con masa

La materia no debe confundirse con la masa, ya que los dos no son iguales 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 una propiedad cuantitativa de la materia y otras sustancias o sistemas; varios tipos de masa se definen dentro de la física , que incluyen, entre otros , masa en reposo , masa inercial , masa relativista , masa-energía .

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

Los diferentes campos de la ciencia utilizan el término materia de formas diferentes y, a veces, incompatibles. Algunas de estas formas se basan en significados históricos imprecisos, de una época en la que no había razón para distinguir la masa de una simple cantidad de materia. Como tal, no existe un significado científico único universalmente aceptado de la palabra "materia". Científicamente, el término "masa" está bien definido, pero "materia" se puede definir de varias formas. A veces, en el campo de la física, "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 de ondas como de partículas , las llamadasdualidad onda-partícula . [10] [11] [12]

Definición

Basado en átomos

Una definición de "materia" basada en su estructura física y química es: la materia está formada por átomos . [13] Esta materia atómica también se denomina a veces materia ordinaria . Como un ejemplo, de ácido desoxirribonucleico moléculas (ADN) son materia bajo esta definición ya que están hechos de átomos. Esta definición puede ampliarse para incluir átomos y moléculas cargados, de modo que incluya plasmas (gases de iones) y electrolitos (soluciones iónicas), que obviamente no se incluyen en la definición de átomos. Alternativamente, se puede adoptar la definición de protones, neutrones y electrones .

Basado en protones, neutrones y electrones

Una definición de "importar" más a escala fina que la definición de los átomos y moléculas es: la materia está compuesta de lo que átomos y moléculas están hechas de , es decir, cualquier cosa hecha de carga positiva protones y neutros neutrones , y con carga negativa electrones . [14] Esta definición va más allá de los átomos y las moléculas, sin embargo, para incluir sustancias hechas de estos bloques de construcción que no son simplemente átomos o moléculas, por ejemplo, los haces de electrones en una vieja televisión de tubo de rayos catódicos o enana blanca.materia: 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. 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.

Basado en quarks y leptones

Según la definición de "quarks y leptones", las partículas elementales y compuestas hechas de quarks (en púrpura) y leptones (en verde) serían materia, mientras que los bosones gauge (en rojo) no serían materia. Sin embargo, la energía de interacción inherente a las partículas compuestas (por ejemplo, gluones involucrados en neutrones y protones) contribuye a la masa de materia ordinaria.

Como se vio en la discusión anterior, muchas de las primeras definiciones de lo que se puede llamar "materia ordinaria" se basaron en su estructura o "bloques de construcción". En la escala de partículas elementales, una definición que sigue esta tradición se puede enunciar como: "materia ordinaria es todo lo que está compuesto de quarks y leptones ", o "materia ordinaria es todo lo que está compuesto por fermiones elementales excepto antiquarks y antileptones". . [15] [16] [17] A continuación se muestra la conexión entre estas formulaciones.

Los leptones (el más famoso es el electrón ) y los quarks (de los cuales se forman los bariones , como los protones y los neutrones ) se combinan para formar átomos , que a su vez forman moléculas . Debido a que se dice que los átomos y las moléculas son materia, es natural formular la definición como: "materia ordinaria es cualquier cosa que esté hecha de las mismas cosas de las que están hechos los átomos y las moléculas". (Sin embargo, tenga en cuenta que también se puede hacer de estos bloques de construcción una materia que no esátomos o moléculas.) Entonces, debido a que 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 por partículas de primera generación , a saber, los quarks [up] y [down], más el electrón y su neutrino". [16] (Las partículas de generaciones superiores se descomponen rápidamente en partículas de primera generación y, por lo tanto, no se encuentran comúnmente. [18] )

Esta definición de materia ordinaria es más sutil de lo que parece. Todas las partículas que componen la materia ordinaria (leptones y quarks) son fermiones elementales, mientras que todos los portadores de fuerza son bosones elementales. [19] 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. [20] En otras palabras, la masa no es algo exclusivo de la materia ordinaria.

Sin embargo, la definición de quark-lepton de materia ordinaria identifica no solo los bloques de construcción elementales de la materia, sino que también incluye compuestos hechos de los constituyentes (átomos y moléculas, por ejemplo). Dichos compuestos contienen una energía de interacción que mantiene unidos los componentes y puede constituir la mayor parte de la masa del compuesto. Como ejemplo, en gran medida, la masa de un átomo es simplemente la suma de las masas de sus protones, neutrones y electrones constituyentes. Sin embargo, al profundizar, los protones y 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. [21] En otras palabras, la mayor parte de lo que compone la "masa" de materia ordinaria se debe a laenergía de enlace de los quarks dentro de los protones y neutrones. [22] 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 ). [23] [24] La conclusión es que la mayor parte de la masa de los objetos cotidianos proviene de la energía de interacción de sus componentes elementales.

El modelo estándar agrupa las partículas de materia en tres generaciones, donde cada generación consta de dos quarks y dos leptones. La primera generación son los quarks up y down , el electrón y el neutrino electrónico ; el segundo incluye los quarks encantadores y extraños , el muón y el neutrino muón ; la tercera generación está formada por los quarks superior e inferior y los neutrinos tau y tau . [25] La explicación más natural para esto sería que los quarks y leptones de generaciones superiores sonestados emocionados 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 . [26]

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

Basado en fermiones elementales (masa, volumen y espacio)

Una definición común o tradicional de materia es "cualquier cosa que tenga masa y volumen (ocupa espacio )". [27] [28] Por ejemplo, se diría que un automóvil está hecho de materia, ya que tiene masa y volumen (ocupa espacio).

La observación de que la materia ocupa espacio se remonta a la antigüedad. Sin embargo, una explicación de por qué la materia ocupa espacio es reciente y se argumenta que es el resultado del fenómeno descrito en el principio de exclusión de Pauli , [29] [30] 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.

Por lo tanto, la materia se puede definir como todo lo que se compone 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, también son fermiones elementales y tienen esencialmente las mismas propiedades que los quarks. y leptones, incluida la aplicabilidad del principio de exclusión de Pauli que puede decirse que evita que dos partículas estén en el mismo lugar al mismo tiempo (en el mismo estado), es decir, hace que cada partícula "ocupe espacio". Esta definición particular lleva a que la materia se defina para incluir cualquier cosa hecha de estas antimateria.partículas así como el quark y el lepton ordinarios, y por lo tanto también cualquier cosa hecha de mesones , que son partículas inestables compuestas por un quark y un antiquark.

En relatividad general y cosmología

En el contexto de la relatividad , la masa no es una cantidad aditiva, en el sentido de que no se pueden sumar las masas en reposo de partículas en un sistema para obtener la masa en reposo total 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 lo 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 puramente gravedad. [31] [32] Este punto de vista se sostiene comúnmente en campos que tratan con la relatividad general comocosmología . Desde este punto de vista, la luz y otras partículas y campos sin masa son todos parte de la "materia".

Estructura

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

Quarks

Artículo principal: Quark

Los quarks son partículas masivas de spin- 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 . 

Propiedades de Quark [33]
nombresímbologirarcarga eléctrica
( e )		masa
( MeV / c 2 )		masa comparable aantipartícula
símbolo de antipartícula
quarks de tipo up
arriba
tu
1 ⁄ 2+ 2 ⁄ 31,5 hasta 3,3~ 5 electronesantiup
tu
encanto
C
1 ⁄ 2+ 2 ⁄ 31160 al 1340~ 1 protónanticharm
C
cima
t
1 ⁄ 2+ 2 ⁄ 3169.100 hasta 173.300~ 180 protones o
~ 1 átomo de tungsteno		antitop
t
quarks de tipo down
abajo
D
1 ⁄ 2- 1 ⁄ 33,5 hasta 6,0~ 10 electronesantidown
D
extraño
s
1 ⁄ 2- 1 ⁄ 370 hasta 130~ 200 electronesantiextraño
s
fondo
B
1 ⁄ 2- 1 ⁄ 34130 al 4370~ 5 protonesantibottom
B
Estructura de quarks de un protón: 2 quarks up y 1 quark down.

Materia bariónica

Artículo principal: Baryon

Los bariones son fermiones que interactúan fuertemente, por lo que están sujetos a las estadísticas 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 generalmente se refiere a triquarks, partículas compuestas por tres quarks. Además, los bariones "exóticos" hechos de cuatro quarks y un antiquark se conocen como pentaquarks , pero su existencia no está 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 o diversas formas de materia degenerada, como las estrellas enanas blancas y las estrellas de neutrones . La luz de microondas vista por la sonda de anisotropía de microondas de Wilkinson (WMAP), sugiere que solo alrededor del 4.6% de esa parte del universo dentro del alcance de los mejores telescopios (es decir, materia que puede ser visible porque la luz podría alcanzarnos desde ella), está hecha de materia bariónica. Aproximadamente el 26,8% es materia oscura y aproximadamente el 68,3% es energía oscura. [34]

De hecho, la gran mayoría de la materia ordinaria del universo no se ve, ya que las estrellas y el gas visibles dentro de las galaxias y los cúmulos representan menos del 10% de la contribución de la materia ordinaria a la densidad masa-energía del universo. [35]

Una comparación entre la enana blanca IK Pegasi B (centro), su compañero de clase A IK Pegasi A (izquierda) y el Sol (derecha). Esta enana blanca tiene una temperatura superficial de 35.500 K.

Materia hadrónica

La materia hadrónica puede referirse a materia bariónica "ordinaria", hecha de hadrones ( bariones y mesones ), o materia de quarks (una generalización de los núcleos atómicos), es decir, la materia QCD de temperatura "baja" . [36] Incluye materia degenerada y el resultado de colisiones de núcleos pesados ​​de alta energía. [37] Distinto de la materia oscura .

Materia degenerada

Artículo principal: Materia degenerada

En física, la materia degenerada se refiere al estado fundamental de un gas de fermiones a una temperatura cercana al cero absoluto. [38] El principio de exclusión de Pauli requiere que solo dos fermiones puedan ocupar un estado cuántico, uno de rotación hacia arriba y el otro hacia abajo. Por lo tanto, a temperatura cero, los fermiones llenan niveles suficientes para acomodar todos los fermiones disponibles y, en el caso de muchos fermiones, la energía cinética máxima (llamada energía de Fermi ) y la presión del gas se vuelven muy grandes y dependen de el número de fermiones en lugar de la temperatura, a diferencia de los estados normales de la materia.

Se cree que la materia degenerada ocurre durante la evolución de las estrellas pesadas. [39] 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 de las estrellas. [40]

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

Materia extraña

Artículo principal: Materia extraña

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 se construyen a partir de quarks ascendentes y descendentes), y con la materia de quarks no extraña, que es un líquido de quarks que solo contiene quarks ascendentes y descendentes. A una densidad suficientemente alta, se espera que la materia extraña sea superconductora de color . Se plantea la hipótesis de que hay materia extraña en el núcleo de las estrellas de neutroneso, más especulativamente, como gotas aisladas que pueden variar en tamaño desde femtómetros ( extrañas ) hasta kilómetros ( estrellas de quarks ).

Dos significados del término "materia extraña"

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

  1. El significado más amplio es simplemente materia de quarks que contiene tres sabores de quarks: arriba, abajo y extraño. En esta definición, hay una presión crítica y una densidad crítica asociada, y cuando la materia nuclear (hecha de protones y neutrones ) se comprime más allá de esta densidad, los protones y neutrones se disocian en quarks, produciendo materia de quarks (probablemente materia extraña).
  2. El significado más restringido es materia de quarks que es más estable que la materia nuclear . La idea de que esto podría suceder es la "hipótesis de la materia extraña" de Bodmer [41] y Witten. [42] En esta definición, la presión crítica es cero: el verdadero estado fundamental de la materia es siempre materia de quarks. Los núcleos que vemos en la materia que nos rodea, que son gotas de la materia nuclear, son en realidad metaestable , y dado el tiempo suficiente (o el estímulo externo derecha) decaería en gotas de materia extraña, es decir strangelets .

Leptones

Artículo principal: Lepton

Leptones son partículas de spin- 1 / 2 , lo que significa que son fermiones . Llevan una carga eléctrica de -1  e (leptones cargados) o 0 e (neutrinos). A diferencia de los quarks, los leptones no tienen carga de color , lo que significa que no experimentan la interacción fuerte . Los leptones también sufren 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.

Propiedades de Lepton
nombresímbologirarcarga eléctrica
( e )		masa
( MeV / c 2 )		masa comparable aantipartícula
símbolo de antipartícula
leptones cargados [43]
electrón
mi-
1 ⁄ 2−10.51101 electrónantielectrón
mi+
muon
μ-
1 ⁄ 2−1105,7~ 200 electronesantimuon
μ+
tau
τ-
1 ⁄ 2−11,777~ 2 protonesantitau
τ+
neutrinos [44]
neutrino electrónico
ν
mi		1 ⁄ 20<0,000460< 1 ⁄ 1000 electrónantineutrino de electrones
ν
mi
neutrino muón
ν
μ		1 ⁄ 20<0,19< 1 ⁄ 2 electrónantineutrino muón
ν
μ
neutrino tau
ν
τ		1 ⁄ 20<18,2<40 electronestau antineutrino
ν
τ

Etapas

Artículo principal: Fase (materia)
Ver también: diagrama de fases y estado de la materia
Diagrama de fases de una sustancia típica a un volumen fijo. El eje vertical es P resión, eje horizontal es T emperatura. La línea verde marca el punto de congelación (arriba de la línea verde es sólida , debajo es líquido ) y la línea azul el punto de ebullición (arriba es líquido y debajo es gas ). Entonces, por ejemplo, a una T más alta , se necesita una P más alta para mantener la sustancia en fase líquida. En el punto triple las tres fases; líquido, gas y sólido; puede coexistir. Por encima del punto críticono hay diferencia detectable entre las fases. La línea de puntos muestra el comportamiento anómalo del agua : el hielo se derrite a temperatura constante al aumentar la presión. [45]

A granel , la materia puede existir en varias formas diferentes o estados de agregación, conocidos como fases , [46] dependiendo de la presión , temperatura y volumen ambientales . [47] 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 de la materia más exóticos (como plasmas ,superfluidos , supersólidos , condensados ​​de Bose-Einstein , ...). Un fluido puede ser líquido, gas o plasma. También hay fases paramagnéticas y ferromagnéticas de materiales magnéticos . A medida que cambian las condiciones, la materia puede cambiar de una fase a otra. Estos fenómenos se denominan transiciones de fase y se estudian en el campo de la termodinámica . En los nanomateriales, la relación enormemente aumentada entre el área de la superficie y el volumen da como resultado una materia que puede exhibir propiedades completamente diferentes de las del material a granel, y no está bien descrita por ninguna fase a granel (ver nanomateriales para más detalles).

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

Antimateria

Artículo principal: Antimateria
Problema sin resolver en física :

Asimetría bariónica . ¿Por qué hay mucha más materia que antimateria en el universo observable?

(más problemas sin resolver en física)

La antimateria es materia que se compone de las antipartículas de las que constituyen materia ordinaria. Si una partícula y su antipartícula entran en contacto entre sí, las dos se aniquilan ; es decir, ambos pueden ser convertidos en otras partículas con la misma energía de acuerdo con Albert Einstein 's ecuación E = mc 2 . Estas nuevas partículas pueden ser fotones de alta energía ( rayos gamma ) u otros pares de partículas y antipartículas. Las partículas resultantes están dotadas de una cantidad de energía cinética igual a la diferencia entre la masa en reposode 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 materia, o lo opuesto a la materia.

La antimateria no se encuentra naturalmente en la Tierra, excepto muy brevemente y en pequeñas cantidades (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. Se pueden producir antipartículas y algo de antimateria estable (como el antihidrógeno ) en pequeñas cantidades, pero no en cantidad suficiente para hacer más que probar algunas de sus propiedades teóricas.

Existe una considerable especulación tanto en ciencia como en ciencia ficción sobre por qué el universo observable es aparentemente casi en su totalidad materia (en el sentido de quarks y leptones pero no antiquarks o antileptones), y si otros lugares son casi completamente antimateria (antiquarks y antileptones) en su lugar. . En el universo temprano, se pensaba que la materia y la antimateria estaban representadas por igual, y la desaparición de la antimateria requiere una asimetría en las leyes físicas llamada violación de la simetría CP (paridad de carga) , que se puede obtener del Modelo Estándar, [48] pero En este momento, la aparente asimetría de materia y antimateria en el universo visible es uno de los grandesproblemas sin resolver en física . Los posibles procesos por los que se produjo se exploran con más detalle en la bariogénesis .

Formalmente, las partículas de antimateria se pueden definir por su número de bariones o número de leptones negativo , mientras que las partículas de materia "normal" (no antimateria) tienen un número de bariones o leptones positivo. [49] Estas dos clases de partículas son las antipartículas asociadas entre sí.

En octubre de 2017, los científicos informaron 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. [50] [51] Esto implica que debe haber algo, aún desconocido para los científicos, que detuvo la destrucción mutua completa de materia y antimateria en el universo de formación temprana, o que dio lugar a un desequilibrio entre las dos formas.

Conservación de la materia

En el modelo estándar se conservan dos cantidades que pueden definir una cantidad de materia en el sentido quark-lepton (y antimateria en un sentido antiquark-antilepton), el número bariónico y el número leptónico . Un barióncomo el protón o neutrón tiene un número bariónico de uno, y un quark, debido a que hay tres en un barión, recibe un número bariónico de 1/3. Entonces, la cantidad neta de materia, medida por el número de quarks (menos el número de antiquarks, cada uno de los cuales tiene un número de bariones de -1/3), que es proporcional al número de bariones y el número de leptones (menos antileptones), que se llama el número de leptones, es prácticamente imposible de cambiar en cualquier proceso. Incluso en una bomba nuclear, ninguno de los bariones (protones y neutrones 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. a partículas sin materia (como fotones de luz o radiación). En cambio, nuclear (y tal vezse libera energía de enlace cromodinámico) , ya que estos bariones se unen en núcleos de tamaño mediano que tienen menos energía (y, de manera equivalente , menos masa) por nucleón en comparación con los núcleos pequeños (hidrógeno) y grandes (plutonio, etc.) originales. Incluso en la aniquilación electrón-positrón , no hay materia neta que se destruya, porque había cero materia neta (cero número total de leptones y número de bariones) para empezar antes de la aniquilación (un leptón menos un antileptón es igual a cero número neto de leptones) y esto La cantidad neta de materia no cambia, ya que simplemente permanece cero después de la aniquilación. [52]

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. Se pueden crear bariones y leptones, pero su creación va acompañada de antibariones o antileptones; y pueden ser destruidos, aniquilándolos con antibióticos o antileptones. Dado que los antibióticos / antileptones tienen números de bariones / leptones negativos, los números generales de bariones / leptones no cambian, por lo que la materia se conserva. Sin embargo, los bariones / leptones y los antibióticos / 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 poco común en circunstancias normales.

Otros tipos

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 gases luminosos y 0,005% de radiación) y materia no luminosa (gas intergaláctico y aproximadamente 0,1% de neutrinos y 0,04% de agujeros negros supermasivos). La materia ordinaria es poco común. Siguiendo el modelo de Ostriker y Steinhardt. [53] Para obtener más información, consulte NASA .

  Energía oscura (73%)
  Materia oscura (23%)
  Materia no luminosa (3,6%)
  Materia luminosa (0,4%)

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 [54] [55] y el 73% es energía oscura . [56] [57]

Curva de rotación de galaxias para la Vía Láctea. El eje vertical es la velocidad de rotación alrededor del centro galáctico. El eje horizontal es la distancia desde el centro galáctico. El sol está marcado con una bola amarilla. La curva de velocidad de rotación observada es azul. La curva predicha basada en la masa estelar y el gas en la Vía Láctea es roja. La diferencia se debe a la materia oscura o quizás a una modificación de la ley de la gravedad . [58] [59] [60] La dispersión en las observaciones se indica aproximadamente mediante barras grises.

Materia oscura

Artículos principales: Materia oscura , modelo Lambda-CDM y WIMP
Ver también: la formación y evolución de galaxias y la materia oscura aureola

En astrofísica y cosmología , la materia oscura es materia de composición desconocida que no emite ni refleja suficiente radiación electromagnética para ser observada directamente, pero cuya presencia puede inferirse de los efectos gravitacionales sobre la materia visible. [61] [62] La evidencia observacional del universo temprano y la teoría del Big Bang requieren que esta materia tenga energía y masa, pero no esté compuesta por bariones ordinarios (protones y neutrones). La opinión comúnmente aceptada es que la mayor parte de la materia oscura es de naturaleza no bariónica . [61] Como tal, está compuesto de partículas aún no observadas en el laboratorio. Quizás sean partículas supersimétricas, [63] que no son partículas del Modelo Estándar , sino reliquias formadas a muy altas energías en la fase temprana del universo y todavía flotando. [61]

Energía oscura

Artículo principal: Energía oscura
Ver también: Big Bang § Energía oscura

En cosmología , la energía oscura es el nombre que se le da a la fuente de la influencia repelente que está acelerando la tasa de expansión del universo . Su naturaleza precisa es actualmente un misterio, aunque sus efectos pueden modelarse razonablemente asignando propiedades similares a la materia, como densidad de energía y presión, al vacío mismo. [64] [65]

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

-  Lee Smolin (2007), El problema de la física , p. dieciséis

Materia exótica

Artículo principal: Materia exótica

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

Desarrollo historico

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

En la India antigua , los budistas, los hindúes y los jainistas desarrollaron cada uno una teoría particulada de la materia, postulando que toda la materia está hecha de átomos ( paramanu , pudgala ) que son en sí mismos "eternos, indestructibles e innumerables" y que se asocian y disocian según a ciertas leyes naturales fundamentales para formar materia más compleja o cambiar con el tiempo. [6] Acoplaron sus ideas del alma, o la falta de ella, en su teoría de la materia. Los desarrolladores y defensores más fuertes de esta teoría fueron la escuela Nyaya- Vaisheshika , siendo las ideas del filósofo Kanada (c. Siglo VI a. C.) las más seguidas. [6] [7]Los budistas también desarrollaron estas ideas a finales del primer milenio a. C., ideas que eran similares a la escuela hindú Vaishashika, pero que no incluían alma ni conciencia. [6] Los jainistas incluían el alma ( jiva ), añadiendo cualidades como sabor, olor, tacto y color a cada átomo. [66] Ampliaron las ideas encontradas en la literatura antigua de los hindúes y budistas añadiendo que los átomos son húmedos o secos, y esta cualidad de los cementos importa. 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 de karma y se transmigra con cada renacimiento. [6]

En Europa , los presocráticos especularon sobre la naturaleza subyacente del mundo visible. Tales (c. 624 a. C. - c. 546 a. C.) consideraba el agua como el material fundamental del mundo. Anaximandro (c. 610 a. C. – c. 546 a. C.) postuló que el material básico carecía por completo de carácter o de límites: el Infinito ( apeiron ). Anaxímenes (floreció en el 585 a. C., murió en el 528 a. C.) postuló que la sustancia básica 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 elementosdel cual todo fue hecho: tierra, agua, aire y fuego. [67] Mientras tanto, Parménides argumentó que el cambio no existe, y Demócrito argumentó que todo está compuesto por cuerpos minúsculos e inertes de todas las formas llamadas átomos, una filosofía llamada atomismo . Todas estas nociones tenían profundos problemas filosóficos. [68]

Aristóteles (384-322 a. C.) fue el primero en poner la concepción sobre una sólida base filosófica, lo que hizo en su filosofía natural, especialmente en el libro de Física I. [69] Adoptó como suposiciones razonables los cuatro elementos de Empedoclean , 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 materia es precisamente esto: el sustrato primario de cada cosa, del que viene a ser sin calificación, y que persiste en el resultado.

-  Aristóteles, Física I: 9: 192a32

La palabra que Aristóteles usa para la materia, ὕλη ( hyle o hule ) , puede traducirse literalmente como madera o madera, es decir, "materia prima" para la construcción. [70] De hecho, la concepción de la materia de Aristóteles está intrínsecamente ligada a algo que se hace o se compone. En otras palabras, en contraste con la concepción moderna temprana de la materia como simplemente ocupando un espacio, para Aristóteles la materia está por definición vinculada al proceso o al 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. El asunto no se describe específicamente (p. Ej., Como átomos), pero consiste en lo que persiste en el cambio de sustancia de hierba a caballo. En este entendimiento, la materia no existe independientemente (es decir, como sustancia ), sino que existe interdependientemente (es decir, como un "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 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 o actualidad en sí mismo, similar a la forma en que las partes como tales solo tienen su existencia en un todo (de otra manera serían totalidades independientes).

Siglos XVII y XVIII

René Descartes (1596-1650) originó 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:

Por tanto, la extensión en longitud, anchura y profundidad constituye la naturaleza de la sustancia corporal; y el pensamiento constituye la naturaleza de la sustancia pensante. Y todo lo demás atribuible al cuerpo presupone extensión, y es sólo un modo de extensión

-  René Descartes, Principios de filosofía [71]

Para Descartes, la materia sólo tiene la propiedad de extensión, por lo que su única actividad aparte de la locomoción es excluir otros cuerpos: [72] esta es la filosofía mecánica . Descartes hace una distinción absoluta entre la mente, que define como sustancia pensante no extendida, y la materia, que define como sustancia extendida no pensante. [73] Son cosas independientes. En contraste, Aristóteles define la materia y el principio formal / formador como principios complementarios que juntos componen una cosa independiente ( sustancia ). En resumen, Aristóteles define la materia (hablando en términos generales) como de qué están hechas las cosas (con un potencial existencia independiente), pero Descartes eleva la materia a una cosa independiente real en sí misma.

La continuidad y diferencia entre las concepciones de Descartes y Aristóteles es digna de mención. 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 . [74]

La justificación de Descartes para restringir las cualidades inherentes de la materia a la extensión es su permanencia, pero su criterio real no es la permanencia (que se aplica igualmente al color y la resistencia), sino su deseo de usar la geometría para explicar todas las propiedades materiales. [75] Como 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. [76]

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". [77] 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 desgastan o rompen en pedazos". [78] Las propiedades "primarias" de la materia eran susceptibles de descripción matemática, a diferencia de las cualidades "secundarias" como el color o el gusto. Como Descartes, Newton rechazó la naturaleza esencial de las cualidades secundarias. [79]

Newton desarrolló la noción de materia de Descartes al restaurar a la materia propiedades intrínsecas además de la extensión (al menos de forma limitada), como la masa. El uso de Newton de la fuerza gravitacional, que trabajaba "a distancia", repudió efectivamente la mecánica de Descartes, en la que las interacciones ocurrían exclusivamente por contacto. [80]

Aunque la gravedad de Newton parecería ser un poder de los cuerpos, el propio Newton no admitió que fuera una propiedad esencial de la materia. Llevando la lógica hacia adelante de manera más consistente, Joseph Priestley (1733-1804) argumentó que las propiedades corporales trascienden la mecánica del contacto: las propiedades químicas requieren la capacidad de atracción. [80] Argumentó que la materia tiene otros poderes inherentes además de las llamadas cualidades primarias de Descartes, et al. [81]

Siglos XIX y XX

Desde la época de Priestley, ha habido una expansión masiva en el conocimiento de los componentes 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 . [82]

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

Los aspectos de la visión newtoniana aún prevalecían. James Clerk Maxwell discutió la materia en su obra Matter and Motion . [83] Él separa cuidadosamente la "materia" del espacio y el tiempo, y la define en términos del objeto al que se refiere la primera ley del movimiento de Newton .

Sin embargo, la imagen newtoniana no era toda la historia. En el siglo XIX, el término "materia" fue discutido activamente por una gran cantidad de científicos y filósofos, y se puede encontrar un breve resumen en Levere. [84] [Se necesita más explicación ] Una discusión de un libro de texto de 1870 sugiere que la materia está formada por átomos: [85]

En la ciencia se reconocen tres divisiones de 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 sostenía que la materia tenía propiedades químicas y eléctricas. En 1909, el famoso físico JJ Thomson (1856-1940) escribió sobre la "constitución de la materia" y se preocupó por la posible conexión entre la materia y la carga eléctrica. [86]

A finales del siglo XIX, con el descubrimiento del electrón , y a principios del siglo XX, con el descubrimiento del núcleo atómico por el experimento Geiger-Marsden y el nacimiento de la física de partículas , se consideró que la materia estaba formada por electrones, protones y neutrones. interactuando para formar átomos. Luego se desarrolló toda una literatura sobre la "estructura de la materia", que va desde la "estructura eléctrica" ​​a principios del siglo XX, [87]a 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". [88] [Se necesita más explicación ] A este respecto, 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 de Sabbata y Gasperini: "Con la palabra" materia "denotamos, en este contexto, las fuentes de las interacciones, es decir, campos de espino (como quarks y leptones), que 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 gauge (y que, sin embargo, podrían estar compuestos de campos de fermiones más fundamentales ) ". [ 89] [ se necesita más explicación ]

Sin embargo, los protones y los neutrones no son indivisibles: se pueden dividir en quarks . Y los electrones son parte de una familia de partículas llamadas leptones . Tanto los quarks como los leptones son partículas elementales y, en 2004, los autores de un texto universitario los consideraban los constituyentes fundamentales de la materia. [90]

Estos quarks y leptones interactúan a través de cuatro fuerzas fundamentales : gravedad , electromagnetismo , interacciones débiles e interacciones fuertes . El modelo estándar de la física de partículas es actualmente la mejor explicación para toda la física, pero a pesar de décadas de esfuerzos, la gravedad aún no se puede explicar a nivel cuántico; sólo es descrito por la física clásica (ver gravedad cuántica y gravitón ) [91] para frustración de teóricos como Stephen Hawking . Las interacciones entre quarks y leptones son el resultado de un intercambio departículas portadoras de fuerza , como fotones, entre quarks y leptones. [92] Las partículas portadoras de fuerza no son en sí mismas bloques de construcción. Como consecuencia, la masa y la energía (que según nuestro conocimiento actual no se pueden crear o destruir) no siempre pueden estar relacionadas con la materia (que se puede crear a partir de partículas no materiales como los fotones, o incluso a partir de energía pura, como la cinética). energía). [ 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 . [93]Sin embargo, aunque estos cuantos no se consideran materia, contribuyen a la masa total de átomos, partículas subatómicas y todos los sistemas que los contienen. [94] [95]

Resumen

La concepción moderna de la materia se ha refinado muchas veces a lo largo de la historia, a la luz de la mejora en el conocimiento de cuáles son los bloques de construcción básicos y de cómo interactúan. El término "materia" se utiliza en toda la física en una desconcertante variedad de contextos: por ejemplo, uno se refiere a " física de materia condensada ", [96] "materia elemental", [97] " partónica " materia, " oscuro " materia, " anti " materia", materia " extraña " y materia " nuclear ". En discusiones sobre materia y antimateria ,Alfvén se ha referido a la materia normal como koinomatter(Gr. Materia común ). [98] 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 a la que se desee definir la materia. [99]

Estos quarks y leptones interactúan a través de cuatro fuerzas fundamentales : gravedad , electromagnetismo , interacciones débiles e interacciones fuertes . El modelo estándar de la física de partículas es actualmente la mejor explicación para toda la física, pero a pesar de décadas de esfuerzos, la gravedad aún no se puede explicar a nivel cuántico; sólo lo describe la física clásica (ver gravedad cuántica y gravitón ). [91]

Ver también

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Otras lecturas

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  • Timothy Paul Smith (2004). "La búsqueda de quarks en materia ordinaria" . Mundos ocultos . Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 978-0-691-05773-6.
  • Harald Fritzsch (2005). Partículas elementales: bloques de construcción de materia . World Scientific. pag. 1 . Bibcode : 2005epbb.book ..... F . ISBN 978-981-256-141-1.
  • Bertrand Russell (1992). "La filosofía de la materia" . Una exposición crítica de la filosofía de Leibniz (Reimpresión de 1937 2ª ed.). Routledge. pag. 88. ISBN 978-0-415-08296-9.
  • Stephen Toulmin y June Goodfield, The Architecture of Matter (Chicago: University of Chicago Press, 1962).
  • Richard J. Connell, Materia y devenir (Chicago: The Priory Press, 1966).
  • Ernan McMullin , El concepto de materia en la filosofía griega y medieval (Notre Dame, Indiana: Univ. De Notre Dame Press, 1965).
  • Ernan McMullin , El concepto de materia en la filosofía moderna (Notre Dame, Indiana: University of Notre Dame Press, 1978).

enlaces externos

  • Materia (física) en la Encyclopædia Britannica
  • Materia (filosofía) en la Encyclopædia Britannica
  • Módulo Visionlearning sobre la materia
  • Materia en el universo ¿Cuánta materia hay en el universo?
  • NASA sobre el núcleo superfluido de una estrella de neutrones
  • Materia y energía: una falsa dicotomía : conversaciones sobre ciencia con el físico teórico Matt Strassler