Materia
Definición
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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). |
Por lo general, los átomos se pueden imaginar como un núcleo de protones y neutrones, y una "nube" circundante de electrones en órbita que "ocupan espacio". Sin embargo, esto es solo algo correcto, porque las partículas subatómicas y sus propiedades se rigen por su naturaleza cuántica, lo que significa que no actúan como parecen actuar los objetos cotidianos: pueden actuar como ondas y partículas y no tienen tamaños bien definidos. o posiciones 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 el sentido cotidiano de la palabra. Debido al principio de exclusión y otras interacciones fundamentales, algunas "partículas puntuales" conocidas como fermiones (quarks, leptones), y muchos materiales compuestos y átomos, se ven obligados a mantenerse alejados de otras partículas en las condiciones cotidianas; esto crea la propiedad de la materia que nos aparece cuando la materia ocupa espacio.
Durante gran parte de la historia de las ciencias naturales, las personas han contemplado la naturaleza exacta de la materia. La idea de que la materia se construyó a partir de discretos bloques de construcción, la llamada teoría de partículas de la materia , fue presentada por primera vez por los filósofos griegos Leucipo (~ 490 aC) y Demócrito (~ 470-380 aC).
Comparación con la masa
La materia no debe confundirse con la masa, ya que los dos no son lo mismo en la física moderna. La materia es un término general que describe cualquier ' sustancia física' . Por el contrario, la masa no es una sustancia sino más bien una propiedad cuantitativa de la materia y otras sustancias o sistemas; varios tipos de masa se definen dentro de la física, que incluyen, entre otros, la masa en reposo, la masa inercial, la masa relativista, la masa-energía.
Si bien hay diferentes puntos de vista sobre lo que debe considerarse materia, la masa de una sustancia tiene definiciones científicas exactas. Otra diferencia es que la materia tiene una antimateria llamada "opuesta", pero la masa no tiene opuesto, por lo que se sabe, no existe tal cosa como "anti-masa" o masa negativa, aunque los científicos sí discuten el concepto. La antimateria tiene la misma propiedad de masa (es decir, positiva) que su contraparte de materia normal.
Diferentes campos de la ciencia usan el término materia de maneras diferentes, y a veces incompatibles. Algunas de estas formas se basan en significados históricos sueltos, de una época en la que no había ninguna razón para distinguir la masa de simplemente una cantidad de materia. Como tal, no existe un único significado científico universalmente aceptado de la palabra "materia". Científicamente, el término "masa" está bien definido, pero la "materia" se puede definir de varias maneras. A veces, en el campo de la física, la "materia" simplemente se equipara con partículas que exhiben masa en reposo (es decir, que no pueden viajar a la velocidad de la luz), como quarks y leptones. Sin embargo, tanto en la física como en la química, la materia exhibe propiedades parecidas a ondas y similares a partículas, la llamada dualidad onda-partícula.
Definición
Basado en átomos
Una definición de "materia" basada en su estructura física y química es: la materia está compuesta de átomos . Tal materia atómica también se denomina a veces materia ordinaria . Como ejemplo, las moléculas de ácido desoxirribonucleico (ADN) son materia bajo esta definición porque están hechas de átomos. Esta definición puede extenderse para incluir átomos y moléculas cargadas, de forma que se incluyan plasmas (gases de iones) y electrolitos (soluciones iónicas), que obviamente no están incluidos en la definición de átomos. Alternativamente, uno puede adoptar la definición de protones, neutrones y electrones .
Basado en protones, neutrones y electrones
Una definición de "materia" de escala más fina que la definición de átomos y moléculas es: la materia está compuesta de lo que están hechos los átomos y las moléculas , es decir, cualquier cosa hecha de protones cargados positivamente, neutrones neutros y electrones cargados negativamente. Esta definición va más allá de los átomos y las moléculas, sin embargo, para incluir sustancias hechas a partir de estos bloques de construcción que no son simplemente átomos o moléculas, por ejemplo, haces de electrones en un viejo televisor de tubo de rayos catódicos, o 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. En un nivel aún más profundo, los protones y los neutrones están formados por quarks y los campos de fuerza (gluones) que los unen, lo que lleva a la siguiente definición.
Basado en quarks y leptones
Como se vio en la discusión anterior, muchas definiciones tempranas de lo que se puede llamar "materia ordinaria" se basaron en su estructura o "bloques de construcción". En la escala de partículas elementales, una definición que sigue esta tradición puede expresarse como: "la materia ordinaria es todo lo que está compuesto de quarks y leptones", o "la materia ordinaria es todo lo que se compone de fermiones elementales, excepto antigüedades y antillanos" . La conexión entre estas formulaciones sigue.
Los leptones (el más famoso es el electrón) y los quarks (de los que se fabrican bariones, como los protones y los neutrones) se combinan para formar átomos, que a su vez forman moléculas. Debido a que se dice que los átomos y las moléculas son materia, es natural expresar la definición de la siguiente manera: "la materia ordinaria es todo lo que está hecho de las mismas cosas de las que están hechos los átomos y las moléculas". (Sin embargo, observe que uno también puede hacer que estos bloques de construcción importen que no átomos o moléculas.) Luego, 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 antileptons, que pueden considerarse antimateria como se describe más adelante). Carithers y Grannis afirman: "La materia ordinaria está compuesta enteramente de partículas de primera generación, a saber, los quarks [arriba] y [abajo], más el electrón y su neutrino". (Las partículas de generaciones más altas se descomponen rápidamente en partículas de primera generación y, por lo tanto, no se encuentran comúnmente).
Esta definición de materia ordinaria es más sutil de lo que parece. Todas las partículas que componen la materia ordinaria (leptones y quarks) son fermiones elementales, mientras que todos los portadores de fuerza son bosones elementales. Los bosones W y Z que median en la fuerza débil no están formados por quarks o leptones, por lo que no son materia común, incluso si tienen masa. En otras palabras, la masa no es algo exclusivo de la materia ordinaria.
La definición de quark-lepton de materia ordinaria, sin embargo, identifica no solo los bloques de construcción elementales de la materia, sino que también incluye compuestos hechos a partir de los constituyentes (átomos y moléculas, por ejemplo). Dichos compuestos contienen una energía de interacción que mantiene unidos a los constituyentes y puede constituir el grueso 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 constituyentes, neutrones y electrones. Sin embargo, al cavar más profundo, 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. En otras palabras, la mayor parte de lo que compone la "masa" de la materia ordinaria se debe a la energía de unión de los quarks dentro de protones y neutrones. 12.5 MeV / c , que es bajo en comparación con la masa de un nucleón (aproximadamente 938 MeV / c ). La conclusión es que la mayor parte de la masa de los objetos cotidianos proviene de la energía de interacción de sus componentes elementales.
El Modelo estándar agrupa partículas en tres generaciones, donde cada generación consta de dos quarks y dos leptones. La primera generación son los quarks arriba y abajo , el electrón y el electrón neutrino ; el segundo incluye el encanto y quarks extraños , el muon y el neutrino muon ; la tercera generación consiste en los quarks superior e inferior y el neutrino tau y tau. La explicación más natural para esto sería que los quarks y leptones de generaciones superiores son estados excitados de las primeras generaciones. Si este fuera el caso, implicaría que los quarks y leptones son partículas compuestas, en lugar de partículas elementales.
Esta definición de materia de quark-lepton también conduce a lo que se puede describir como "leyes de conservación de la (materia) neta", que se analizarán más adelante. Alternativamente, uno podría volver al concepto de materia de volumen de masa-espacio, que conduce a la próxima 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)". Por ejemplo, se dice que un automóvil está hecho de materia, ya que tiene masa y volumen (ocupa espacio).
La observación de que la materia ocupa espacio se remonta a la antigüedad. Sin embargo, una explicación de por qué la materia ocupa espacio es reciente y se argumenta que es el resultado del fenómeno descrito en el principio de exclusión de Pauli, que se aplica a los fermiones. Dos ejemplos particulares en los que el principio de exclusión se relaciona claramente con la ocupación del espacio son las estrellas enanas blancas y las estrellas de neutrones, que se analizarán más adelante.
Por lo tanto, la materia se puede definir como todo compuesto de fermiones elementales. Aunque no los encontramos en la vida cotidiana, los antiquarks (como el antiprotón) y los antileptons (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 se encuentren en el mismo lugar al mismo tiempo (en el mismo estado), es decir, hace que cada partícula "ocupe espacio". Esta definición particular lleva a definir la materia para incluir cualquier cosa hecha de estas partículas de antimateria, así como el quark y el leptón ordinarios, y por lo tanto también cualquier cosa hecha de mesones, que son partículas inestables formadas por un quark y un antiquark.
En relatividad general y cosmología
En el contexto de la relatividad, la masa no es una cantidad aditiva, en el sentido de que no se pueden agregar las masas de partículas restantes en un sistema para obtener la masa total de reposo del sistema. Por lo tanto, en la relatividad, por lo general, una visión más general es que no es la suma de las masas en reposo, sino el tensor energía-momento que cuantifica la cantidad de materia. Este tensor da la masa restante para todo el sistema. "Materia" por lo tanto, a veces se considera como cualquier cosa que contribuye a la energía-momento de un sistema, es decir, cualquier cosa que no sea pura gravedad. Esta visión se lleva a cabo comúnmente en campos que se ocupan de la relatividad general, como la cosmología. En esta vista, la luz y otras partículas y campos sin masa son todos parte de la "materia".
Estructura
En la física de partículas, los fermiones son partículas que obedecen a las estadísticas de Fermi-Dirac. Los fermiones pueden ser elementales, como el electrón o compuesto, 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
Quarks son partículas de spin-
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2 , lo que implica que son fermiones. Contienen una carga eléctrica de - / 3 e (quarks tipo abajo) o + / 3 e (quarks up-type). Para comparación, un electrón tiene una carga de -1 e. También llevan carga de color, que es el equivalente de la carga eléctrica para la interacción fuerte. Los Quarks también sufren deterioro radioactivo, lo que significa que están sujetos a la interacción débil. Quarks son partículas masivas, y por lo tanto también están sujetas a la gravedad.
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2 , lo que implica que son fermiones. Contienen una carga eléctrica de - / 3 e (quarks tipo abajo) o + / 3 e (quarks up-type). Para comparación, un electrón tiene una carga de -1 e. También llevan carga de color, que es el equivalente de la carga eléctrica para la interacción fuerte. Los Quarks también sufren deterioro radioactivo, lo que significa que están sujetos a la interacción débil. Quarks son partículas masivas, y por lo tanto también están sujetas a la gravedad.
| nombre | símbolo | girar | carga eléctrica (e) | masa (MeV / c ) | masa comparable a | antipartícula | símboloantipartícula |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| quarks up-type | |||||||
| arriba | tu | / 2 | + / 3 | 1.5 a 3.3 | ~ 5 electrones | anti | tu |
| encanto | do | / 2 | + / 3 | 1160 a 1340 | ~ 1 protón | anticharm | do |
| parte superior | t | / 2 | + / 3 | 169,100 a 173,300 | ~ 180 protones o ~ 1 átomo de tungsteno | antitop | t |
| quarks tipo abajo | |||||||
| abajo | re | / 2 | - / 3 | 3.5 a 6.0 | ~ 10 electrones | antidown | re |
| extraño | s | / 2 | - / 3 | 70 a 130 | ~ 200 electrones | antisentido | s |
| fondo | segundo | / 2 | - / 3 | 4130 a 4370 | ~ 5 protones | antibottom | segundo |
Materia bariónica
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 hechas de tres quarks. Además, los bariones "exóticos" hechos de cuatro quarks y un antiquark se conocen como pentaquarks, pero su existencia no es generalmente aceptada.
La materia bariónica es la parte del universo que está compuesta de 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 estrellas enanas blancas y las estrellas de neutrones. La luz de microondas vista por Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), sugiere que solo alrededor del 4,6% de esa parte del universo dentro del alcance de los mejores telescopios (es decir, la materia que puede ser visible porque la luz puede alcanzarnos desde allí) se hace de la materia bariónica Alrededor del 26.8% es materia oscura y alrededor del 68.3% es energía oscura.
Como cuestión de hecho, la gran mayoría de la materia ordinaria en el universo es invisible, ya que las estrellas visibles y el gas dentro de las galaxias y cúmulos representan menos del 10 por ciento de la contribución de materia ordinaria a la densidad de masa de energía del universo.
Materia hadrónica
La materia hadrónica puede referirse a la materia bariónica 'ordinaria', hecha de hadrones (bariones y mesones), o materia de quarks (una generalización de núcleos atómicos), es decir. la materia "baja" temperatura QCD. Incluye materia degenerada y el resultado de colisiones de núcleos pesados de alta energía. Distinto de la materia oscura.
Materia degenerada
En física, la materia degenerada se refiere al estado fundamental de un gas de fermiones a una temperatura cercana al cero absoluto. El principio de exclusión de Pauli requiere que solo dos fermiones puedan ocupar un estado cuántico, un spin-up y el otro spin-down. Por lo tanto, a temperatura cero, los fermiones llenan los niveles suficientes para acomodar todos los fermiones disponibles, y en el caso de muchos fermiones, la energía cinética máxima (llamada energía Fermi ) y la presión del gas se vuelven muy grandes, y depende de el número de fermiones en lugar de la temperatura, a diferencia de los estados normales de la materia.
Se piensa que la materia degenerada ocurre durante la evolución de las estrellas pesadas. La demostración por Subrahmanyan Chandrasekhar de que las estrellas enanas blancas tienen una masa máxima permitida debido al principio de exclusión causó una revolución en la teoría de la evolución de las estrellas.
La materia degenerada incluye la parte del universo formada por estrellas de neutrones y enanas blancas.
Extraño asunto
La materia extraña es una forma particular de materia quark, generalmente considerada como un líquido de quarks arriba, abajo y extraños. Se contrasta con la materia nuclear, que es un líquido de neutrones y protones (que a su vez están formados por quarks arriba y abajo), y con materia de quark no extraña, que es un líquido de quark que contiene solo quarks arriba y abajo. A una densidad suficientemente alta, se espera que la materia extraña sea superconductora de color. Se presume que la materia extraña ocurre en el núcleo de las estrellas de neutrones, o, más especulativamente, como gotas aisladas que pueden variar en tamaño desde femtómetros (strangelets) a kilómetros (estrellas de quarks).
Dos significados del término "materia extraña"
En física de partículas y astrofísica, el término se usa de dos maneras, una más amplia y la otra más específica.
- El significado más amplio es solo materia de quark 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).
- El significado más estrecho es la materia del quark que es más estable que la materia nuclear . La idea de que esto podría suceder es la "hipótesis de la materia extraña" de Bodmerand Witten. En esta definición, la presión crítica es cero: el verdadero estado fundamental de la materia siempre es materia de quarks. Los núcleos que vemos en la materia que nos rodea, que son gotitas de materia nuclear, son en realidad metaestables, y si se les da suficiente tiempo (o el estímulo externo correcto) se descompondrían en gotitas de materia extraña, es decir, strangelets.
Leptons
Los leptones son partículas de spin-
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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 deterioro radioactivo, lo que significa que están sujetos a la interacción débil. Los leptones son partículas masivas, por lo tanto, están sujetos a la gravedad.
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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 deterioro radioactivo, lo que significa que están sujetos a la interacción débil. Los leptones son partículas masivas, por lo tanto, están sujetos a la gravedad.
| nombre | símbolo | girar | carga eléctrica (e) | masa (MeV /c ) | masa comparable a | antipartícula | símboloantipartícula |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| leptones cargados | |||||||
| electrón | e - | / 2 | -1 | 0.5110 | 1 electrón | antielectrón | e + |
| muon | μ - | / 2 | -1 | 105.7 | ~ 200 electrones | antimuon | μ + |
| tau | τ - | / 2 | -1 | 1,777 | ~ 2 protones | antitau | τ + |
| neutrinos | |||||||
| neutrino de electrones | ν mi | / 2 | 0 | <0.000460 | < / 1000 electron | electron antineutrino | ν mi |
| neutrino muon | ν μ | / 2 | 0 | <0.19 | < / 2 electron | antineutrino muon | ν μ |
| tau neutrino | ν τ | / 2 | 0 | <18.2 | <40 electrones | tau antineutrino | ν τ |
Fases
A granel, la materia puede existir en varias formas diferentes, o estados de agregación, conocidos como fases , dependiendo de la presión ambiente, la temperatura y el volumen. Una fase es una forma de materia que tiene una composición química relativamente uniforme y propiedades físicas (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, 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 llaman transiciones de fase y se estudian en el campo de la termodinámica. En nanomateriales, la proporción enormemente aumentada de área de superficie a volumen da como resultado una materia que puede presentar propiedades completamente diferentes a las del material a granel, y no está bien descrita en ninguna fase en masa (para más detalles, ver nanomateriales).
Las fases a veces se llaman estados de la materia , pero este término puede conducir a la confusión con los estados termodinámicos. Por ejemplo, dos gases mantenidos a diferentes presiones están en diferentes estados termodinámicos (diferentes presiones), pero en la misma fase (ambos son gases).
Antimateria
 | Problema sin resolver en física : Asimetría Baryon. ¿Por qué hay mucho más materia que antimateria en el universo observable? |
La Antimateria no se encuentra naturalmente en la Tierra, excepto muy brevemente y en cantidades diminutas (como resultado de la descomposición radiactiva, rayos o 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 casi de forma instantánea se enfrentaría a la materia ordinaria de la que está hecha la Tierra, y será aniquilada. Las antipartículas y alguna antimateria estable (como el antihidrógeno) se pueden producir en pequeñas cantidades, pero no en cantidad suficiente como para hacer algo más que probar algunas de sus propiedades teóricas.
Existe una considerable especulación tanto en ciencia como en ciencia ficción acerca de por qué el universo observable es casi en su totalidad materia (en el sentido de quarks y leptones pero no antiquarks o antileptons), y si otros lugares son casi totalmente antimateria (antiquarks y antileptons) . 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 (paridad de carga), que puede obtenerse del Modelo Estándar, pero en este momento la aparente asimetría de la materia y la antimateria en el universo visible es uno de los grandes problemas no resueltos en la física. Los posibles procesos por los cuales surgieron se exploran con más detalle bajo la bariogénesis.
Formalmente, las partículas de antimateria se pueden definir por su número de barión negativo o número de leptón, mientras que las partículas de materia "normal" (no antimateria) tienen un número de barión o leptón positivo. Estas dos clases de partículas son las parejas de antipartículas 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 por completo y, como resultado, el universo no debería existir. Esto implica que debe haber algo, hasta ahora desconocido para los científicos, que o bien detuvo la completa destrucción mutua de la materia y la 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 de quark-leptón (y antimateria en un sentido de antiquark-antilepton), barión y leptón. Un barión como el protón o el neutrón tiene un número bariónico de uno, y un quark, porque 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, que cada uno tiene un número de bariones de -1/3), que es proporcional al número de bariones, y el número de leptones (menos antileptons), que se llama el número de lepton, es prácticamente imposible de cambiar en cualquier proceso. Incluso en una bomba nuclear, ninguno de los bariones (protones y neutrones de los que están compuestos los núcleos atómicos) se destruyen; 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 en partículas sin materia (como fotones de luz o radiación). En cambio, se libera energía de enlace nuclear (y tal vez cromodinámica), ya que estos bariones se unen a núcleos medianos que tienen menos energía (y, de forma equivalente, menos masa) por nucleón en comparación con el pequeño (hidrógeno) y grande (plutonio, etc.). ) núcleos. Incluso en la aniquilación electrón-positrón, no se destruye ninguna materia neta, porque había una materia neta cero (cero número total de lepton y número bariónico) para comenzar antes de la aniquilación -uno lepton menos un antilepton equivale a cero número neto de leptones- y esto la cantidad neta de cantidad no cambia, ya que simplemente permanece cero después de la aniquilación. Entonces, la única manera de "destruir" o "convertir" realmente
Otros tipos
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 y el 73% es energía oscura.
Materia oscura
En astrofísica y cosmología, la materia oscura es materia de composición desconocida que no emite ni refleja suficiente radiación electromagnética para ser observada directamente, pero cuya presencia puede inferirse de los efectos gravitacionales sobre la materia visible. La evidencia observacional del universo primitivo y la teoría del Big Bang requieren que esta materia tenga energía y masa, pero no se compone de bariones ordinarios (protones y neutrones). La opinión comúnmente aceptada es que la mayoría de la materia oscura no es de naturaleza bariónica. Como tal, está compuesto de partículas aún no observadas en el laboratorio. Quizás son partículas supersimétricas, que no son partículas del Modelo Estándar, sino reliquias formadas a energías muy altas en la fase temprana del universo y que aún flotan.
Energía oscura
En cosmología, la energía oscura es el nombre dado 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 se pueden modelar razonablemente asignando propiedades similares a la materia, como la densidad de energía y la presión, al vacío en sí mismo.
Materia exótica
La materia exótica es un concepto de la física de partículas, que puede incluir la materia oscura y la energía oscura, pero va más allá para incluir cualquier material hipotético que viole una o más de las propiedades de las formas conocidas de la materia. Algunos de esos materiales pueden poseer propiedades hipotéticas como la masa negativa.
Desarrollo historico
Antigüedad (hacia 610 aC-c. 322 aC)
Los presocráticos estuvieron entre los primeros especuladores registrados sobre la naturaleza subyacente del mundo visible. Tales (hacia 624 aC-c 546 aC) consideraban al agua como el material fundamental del mundo. Anaximandro (hacia el 610 aC -c 546 aC) postuló que el material básico era completamente sin carácter o ilimitado: el Infinito ( apeiron ). Anaxímenes (floreció en el año 585 aC, d.528 aC) postuló que lo básico era pneuma o aire. Heráclito (alrededor de 535 aC, 475 aC) parece decir que el elemento básico es el fuego, aunque tal vez quiere decir que todo es cambio. Empédocles (c.490-430 aC) habló de cuatro elementos de los que todo estaba hecho: tierra, agua, aire y fuego. Mientras tanto, Parménides argumentó que el cambio no existe, y Demócrito argumentó que todo está compuesto de cuerpos minúsculos e inertes de todas las formas llamadas átomos, una filosofía llamada atomismo. Todas estas nociones tenían profundos problemas filosóficos.
Aristóteles (384 aC - 322 aC) fue el primero en poner la concepción sobre una base filosófica de sonido, lo que hizo en su filosofía natural, especialmente en Física libro I.He adoptó suposiciones razonables como los cuatro elementos de Empédocles, pero añade un quinto, aether. Sin embargo, estos elementos no son básicos en la mente de Aristóteles. Más bien, como todo lo demás en el mundo visible, están compuestos por los principios básicos , la materia y la forma.
La palabra que Aristóteles usa para la materia, ὕλη ( hyle o hule)), se puede traducir literalmente como madera o madera, es decir, "materia prima" para la construcción. De hecho, la concepción de Aristóteles de la materia está intrínsecamente ligada a algo que se está haciendo o componiendo. En otras palabras, en contraste con la concepción moderna de la materia que simplemente ocupa el espacio, la materia de Aristóteles está vinculada, por definición, al proceso o al cambio: la materia es lo que subyace a un cambio de sustancia. Por ejemplo, un caballo come hierba: el caballo cambia la hierba en sí mismo; la hierba, como tal, no persiste en el caballo, pero algún aspecto de ella -su materia- sí lo hace. El asunto 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 este entendimiento no existe independientemente (es decir, como una sustancia), sino que existe de manera interdependiente (es decir, como un " recibir la actualidad de la forma; no tiene ninguna actividad o realidad en sí misma, similar a la forma en que las partes como tal solo tienen su existencia en un todo (de lo contrario, serían totalidades independientes).
Siglos XVII y XVIII
René Descartes (1596-1650) originó la concepción moderna de la materia. Él era principalmente un geómetra. En lugar de, como Aristóteles, deducir la existencia de la materia de la realidad física del cambio, Descartes postuló arbitrariamente que la materia es una sustancia abstracta y matemática que ocupa el espacio:
Para Descartes, la materia solo tiene la propiedad de la extensión, por lo que su única actividad aparte de la locomoción es excluir a otros cuerpos: esta es la filosofía mecánica. Descartes hace una distinción absoluta entre la mente, que él define como sustancia no pensada, pensante y materia, que él define como sustancia extendida e irreflexiva. Son cosas independientes. En contraste, Aristóteles define la materia y el principio formal / formador como principioscomplementarios que juntos componen una cosa independiente (sustancia). En resumen, Aristóteles define la materia (aproximadamente hablando) como aquello de lo que realmente están hechas las cosas (con una posible existencia independiente), pero Descartes eleva la materia a una cosa realmente independiente en sí misma.
La continuidad y la diferencia entre las concepciones de Aristóteles y Descartes es notable. 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 definidas como opuestas.
La justificación de Descartes para restringir las cualidades inherentes de la materia a la extensión es su permanencia, pero su verdadero criterio no es la permanencia (que se aplica igualmente al color y la resistencia), sino su deseo de usar la geometría para explicar todas las propiedades materiales. Al igual que Descartes, Hobbes, Boyle y Locke argumentaron que las propiedades inherentes de los cuerpos se limitaban a la extensión, y que las llamadas cualidades secundarias, como el color, eran solo productos de la percepción humana.
Isaac Newton (1643-1727) heredó la concepción mecánica de la materia de Descartes. En la tercera de sus "Reglas de razonamiento en filosofía", Newton enumera las cualidades universales de la materia como "extensión, dureza, impenetrabilidad, movilidad e inercia". De manera similar, en Óptica él conjetura que Dios creó la materia como "partículas sólidas, macizas, duras, impenetrables y móviles", que eran "... incluso tan duras como para nunca desgastarse o romperse en pedazos". Las propiedades "primarias" de la materia eran susceptibles de descripción matemática, a diferencia de las cualidades "secundarias" como el color o el gusto. Al igual que Descartes, Newton rechazó la naturaleza esencial de las cualidades secundarias.
Newton desarrolló la noción de materia de Descartes al restaurar las propiedades intrínsecas de la materia además de la extensión (al menos de forma limitada), como la masa. El uso de Newton de la fuerza gravitatoria, que funcionó "a distancia", repudió efectivamente la mecánica de Descartes, en la cual las interacciones ocurrían exclusivamente por contacto.
Aunque la gravedad de Newton parecería ser un poder de los cuerpos, Newton mismo no admitió que fuera una propiedad esencial de la materia. Llevando adelante la lógica de manera más consistente, Joseph Priestley (1733-1804) argumentó que las propiedades corporales trascienden la mecánica de contacto: las propiedades químicas requieren la capacidad de atracción. Argumentó que la materia tiene otros poderes inherentes además de las llamadas cualidades primarias de Descartes, et al.
Siglos XIX y XX
Desde el tiempo de Priestley, ha habido una expansión masiva en el conocimiento de los componentes del mundo material (a saber, moléculas, átomos, partículas subatómicas), pero no ha habido un desarrollo adicional en la definición de la materia. Más bien, la pregunta ha sido dejada de lado. Noam Chomsky (nacido en 1928) resume la situación que ha prevalecido desde ese momento:
De modo que la materia es cualquier cosa que estudie la física y el objeto de estudio de la física es la materia: no existe una definición general independiente de la materia, aparte de su adaptación a la metodología de la medición y la experimentación controlada. En resumen, los límites entre lo que constituye la materia y todo lo demás siguen siendo tan vagos como el problema de demarcación para delimitar la ciencia de todo lo demás.
En el siglo XIX, luego del desarrollo de la tabla periódica y de la teoría atómica, se vio que los átomos eran los constituyentes fundamentales de la materia; los átomos formaron moléculas y compuestos.
La definición común en términos de ocupar el espacio y tener masa está en contraste con la mayoría de las definiciones físicas y químicas de la materia, que se basan en su estructura y atributos no necesariamente relacionados con el volumen y la masa. A finales del siglo XIX, el conocimiento de la materia comenzó a evolucionar rápidamente.
Aspectos de la visión newtoniana aún dominaban. James Clerk Maxwell discutió la materia en su trabajo Matter and Motion . Él separa cuidadosamente la "materia" del espacio y el tiempo, y la define en términos del objeto mencionado en 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 multitud de científicos y filósofos, y se puede encontrar un breve resumen en Levere. Una discusión de libro de texto desde 1870 sugiere que la materia es lo que está hecho de átomos:
En lugar de simplemente tener los atributos de masa y espacio de ocupación, se sostuvo 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 por la posible conexión entre la materia y la carga eléctrica.
Existe toda una literatura sobre la "estructura de la materia", que abarca desde la "estructura eléctrica" de principios del siglo XX hasta la más reciente "estructura de quark de la materia", presentada hoy con la observación: comprender la estructura quark de la materia sido uno de los avances más importantes en la física contemporánea. En este sentido, los físicos hablan de camposde materia, y hablar de partículas como "excitaciones cuánticas de un modo del campo de la materia". 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 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 la masa en una teoría de gauge (y que, sin embargo, podría estar compuesta de campos de fermiones más fundamentales) ".
A finales del siglo XIX con el descubrimiento del electrón y a principios del siglo XX, con el descubrimiento del núcleo atómico y el nacimiento de la física de partículas, se vio que la materia estaba compuesta de electrones, protones y neutrones que interactuaban para formar átomos . Hoy en día, sabemos que incluso los protones y neutrones no son indivisibles, se pueden dividir en quarks, mientras que los electrones son parte de una familia de partículas llamadas leptones. Tanto los quarks como los leptones son partículas elementales, y actualmente se los considera como los constituyentes fundamentales de la materia.
Estos quarks y leptones interactúan a través de cuatro fuerzas fundamentales: la gravedad, el electromagnetismo, las interacciones débiles y las 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 todavía no se puede explicar a nivel cuántico; solo es descrito por la física clásica (ver gravedad cuántica y gravitón). Las interacciones entre quarks y leptones son el resultado de un intercambio de partículas portadoras de fuerza (como fotones) entre quarks y leptones. Las partículas que llevan la fuerza no son ellas mismas bloques de construcción. Como consecuencia, la masa y la energía (que no pueden crearse ni destruirse) no siempre pueden estar relacionadas con la materia (que puede crearse a partir de partículas que no son materia, como los fotones, o incluso de la energía pura, como la energía cinética). Los portadores de fuerza generalmente no se consideran materia: los portadores de la fuerza eléctrica (fotones) poseen energía (véase la relación de Planck) y los portadores de la fuerza débil (bosones W y Z) son masivos, pero tampoco se consideran materia. Sin embargo, aunque estas partículas no se consideran materia, contribuyen a la masa total de átomos, partículas subatómicas y todos los sistemas que las contienen.
Resumen
La concepción moderna de la materia se ha refinado muchas veces en la historia, a la luz de la mejora en el conocimiento de cuáles son los componentes básicos y cómo interactúan. El término "materia" se usa a través de la física en una variedad desconcertante de contextos: por ejemplo, uno se refiere a "física de materia condensada", "materia elemental", materia "partónica", materia "oscura", "anti" -materia " materia extraña "materia" y "nuclear". En discusiones sobre materia y antimateria, la materia normal ha sido referida por Alfvén como koinomatter (Gk. Materia común). Es justo decir que en física no existe un amplio consenso en cuanto a una definición general de la materia, y el término "materia"
La historia del concepto de materia es una historia de las escalas de longitud fundamentales utilizadas para definir la materia. Diferentes bloques de construcción se aplican dependiendo de si uno define la materia en un nivel de partícula atómico o elemental. Uno puede usar una definición de que la materia es átomos, o que la materia es hadrones, o que la materia son leptones y quarks dependiendo de la escala en la que uno desee definir la materia.
Estos quarks y leptones interactúan a través de cuatro fuerzas fundamentales: la gravedad, el electromagnetismo, las interacciones débiles y las 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 todavía no se puede explicar a nivel cuántico; solo es descrito por la física clásica (ver gravedad cuántica y gravitón).