Matéria - Matter

Matéria

A matéria é geralmente classificada em três estados clássicos , com o plasma às vezes adicionado como um quarto estado. De cima para baixo: quartzo ( sólido ), água ( líquido ), dióxido de nitrogênio ( gás ) e um globo de plasma ( plasma ).

Na física clássica e na química geral , matéria é qualquer substância que tenha massa e ocupe espaço por ter volume . Todos os objetos do dia-a-dia que podem ser tocados são, em última análise, compostos de átomos , que são feitos de partículas subatômicas em interação , e no uso diário e científico, "matéria" geralmente inclui átomos e qualquer coisa feita deles, e quaisquer partículas (ou combinação de partículas ) que agem como se tivessem massa e volume de repouso . No entanto, não inclui partículas sem massa , como fótons , ou outros fenômenos de energia ou ondas, como a luz . A matéria existe em vários estados (também conhecidos como fases ). Isso inclui fases clássicas do dia a dia, como sólido , líquido e gasoso - por exemplo, a água existe como gelo, água líquida e vapor gasoso - mas outros estados são possíveis, incluindo plasma , condensados ​​de Bose-Einstein , condensados ​​fermiônicos e plasma de quark-gluon .

Normalmente, os átomos podem ser imaginados como um núcleo de prótons e nêutrons , e uma "nuvem" circundante de elétrons em órbita que "ocupam espaço". No entanto, isso é apenas um pouco correto, porque as partículas subatômicas e suas propriedades são governadas por sua natureza quântica , o que significa que elas não agem como os objetos cotidianos parecem agir - elas podem agir como ondas, bem como partículas e não têm tamanhos ou posições. No modelo padrão da física de partículas , a matéria não é um conceito fundamental porque os constituintes elementares dos átomos são entidades quânticas que não possuem um "tamanho" ou " volume " inerente em qualquer sentido cotidiano da palavra. Devido ao princípio de exclusão e outras interações fundamentais , algumas " partículas pontuais " conhecidas como férmions ( quarks , leptons ) e muitos compostos e átomos são efetivamente forçados a manter uma distância de outras partículas em condições cotidianas; isso cria a propriedade da matéria que nos parece uma matéria ocupando espaço.

Durante grande parte da história das ciências naturais, as pessoas contemplaram a natureza exata da matéria. A ideia de que a matéria foi construída de blocos de construção discretos, a chamada teoria particulada da matéria , apareceu de forma independente na Grécia e na Índia antigas entre budistas , hindus e jainistas no primeiro milênio aC. Filósofos antigos que propuseram a teoria das partículas da matéria incluem Kanada (c. Século 6 aC ou depois), Leucipo (~ 490 aC) e Demócrito (~ 470-380 aC).

Comparação com massa

A matéria não deve ser confundida com a massa, pois as duas não são iguais na física moderna. Matéria é um termo geral que descreve qualquer "substância física". Em contraste, a massa não é uma substância, mas sim uma propriedade quantitativa da matéria e de outras substâncias ou sistemas; vários tipos de massa são definidos na física - incluindo, mas não se limitando a , massa de repouso , massa inercial , massa relativística , massa-energia .

Embora existam diferentes pontos de vista sobre o que deve ser considerado matéria, a massa de uma substância tem definições científicas exatas. Outra diferença é que a matéria tem um "oposto" chamado antimatéria , mas a massa não tem oposto - não existe "anti-massa" ou massa negativa , até onde se sabe, embora os cientistas discutam o conceito. A antimatéria tem a mesma propriedade de massa (isto é, positiva) que sua contraparte de matéria normal.

Diferentes campos da ciência usam o termo matéria de maneiras diferentes e, às vezes, incompatíveis. Algumas dessas maneiras são baseadas em significados históricos vagos, de uma época em que não havia razão para distinguir massa de simplesmente uma quantidade de matéria. Como tal, não existe um único significado científico universalmente aceite para a palavra "matéria". Cientificamente, o termo "massa" é bem definido, mas "matéria" pode ser definida de várias maneiras. Às vezes, no campo da física, "matéria" é simplesmente equiparada a partículas que exibem massa em repouso (isto é, que não podem viajar na velocidade da luz), como quarks e léptons. No entanto, tanto na física quanto na química , a matéria exibe propriedades semelhantes a ondas e partículas , a chamada dualidade onda-partícula .

Definição

Baseado em átomos

Uma definição de "matéria" com base em sua estrutura física e química é: a matéria é composta de átomos . Essa matéria atômica às vezes também é chamada de matéria comum . Como um exemplo, ácidos desoxirribonucleicos moléculas (DNA) são matéria segundo esta definição, porque eles são feitos de átomos. Esta definição pode ser estendida para incluir átomos e moléculas carregados, de modo a incluir plasmas (gases de íons) e eletrólitos (soluções iônicas), que não estão obviamente incluídos na definição de átomos. Alternativamente, pode-se adotar a definição de prótons, nêutrons e elétrons .

Baseado em prótons, nêutrons e elétrons

Uma definição de "matéria" em escala mais precisa do que a definição de átomos e moléculas é: a matéria é composta do que os átomos e moléculas são feitos , ou seja, qualquer coisa feita de prótons carregados positivamente , nêutrons neutros e elétrons carregados negativamente . Esta definição vai além de átomos e moléculas, no entanto, para incluir substâncias feitas a partir desses blocos de construção que não são simplesmente átomos ou moléculas, por exemplo, feixes de elétrons em uma velha televisão de tubo de raios catódicos ou matéria anã branca - normalmente, núcleos de carbono e oxigênio em um mar de elétrons degenerados. Em um nível microscópico, as "partículas" constituintes da matéria, como prótons, nêutrons e elétrons, obedecem às leis da mecânica quântica e exibem dualidade onda-partícula. Em um nível ainda mais profundo, prótons e nêutrons são compostos de quarks e os campos de força ( glúons ) que os unem, levando à próxima definição.

Baseado em quarks e léptons

De acordo com a definição de "quarks e léptons", as partículas elementares e compostas feitas de quarks (em roxo) e léptons (em verde) seriam matéria - enquanto os bósons de calibre (em vermelho) não seriam matéria. No entanto, a energia de interação inerente às partículas compostas (por exemplo, glúons envolvidos em nêutrons e prótons) contribui para a massa da matéria comum.

Como visto na discussão acima, muitas definições iniciais do que pode ser chamado de "matéria comum" foram baseadas em sua estrutura ou "blocos de construção". Na escala das partículas elementares, uma definição que segue esta tradição pode ser afirmada como: "matéria comum é tudo o que é composto de quarks e léptons ", ou "matéria comum é tudo o que é composto de quaisquer férmions elementares exceto antiquarks e antileptons" . A conexão entre essas formulações segue.

Leptons (o mais famoso sendo o elétron ) e quarks (dos quais bárions , como prótons e nêutrons , são feitos) se combinam para formar átomos , que por sua vez formam moléculas . Como os átomos e as moléculas são considerados matéria, é natural formular a definição como: "matéria comum é qualquer coisa que seja feita das mesmas coisas das quais os átomos e moléculas são feitos". (No entanto, observe que também se pode fazer a partir desses blocos de construção matéria que não são átomos ou moléculas.) Então, como os elétrons são léptons, e os prótons, e os nêutrons são feitos de quarks, esta definição, por sua vez, leva à definição da matéria como sendo "quarks e leptons", que são dois dos quatro tipos de férmions elementares (os outros dois sendo antiquarks e antileptons, que podem ser considerados antimatéria como descrito mais tarde). Carithers e Grannis afirmam: "A matéria comum é composta inteiramente de partículas de primeira geração , ou seja, os quarks [up] e [down], mais o elétron e seu neutrino." (Partículas de gerações superiores decaem rapidamente em partículas de primeira geração e, portanto, não são comumente encontradas.)

Esta definição de matéria comum é mais sutil do que parece à primeira vista. Todas as partículas que constituem a matéria comum (léptons e quarks) são férmions elementares, enquanto todos os portadores de força são bósons elementares. Os bósons W e Z que medeiam a força fraca não são feitos de quarks ou léptons e, portanto, não são matéria comum, mesmo que tenham massa. Em outras palavras, a massa não é algo exclusivo da matéria comum.

A definição quark-lepton de matéria comum, no entanto, identifica não apenas os blocos de construção elementares da matéria, mas também inclui compostos feitos de constituintes (átomos e moléculas, por exemplo). Esses compostos contêm uma energia de interação que mantém os constituintes juntos e podem constituir a maior parte da massa do composto. Como exemplo, em grande parte, a massa de um átomo é simplesmente a soma das massas de seus prótons, nêutrons e elétrons constituintes. No entanto, cavando mais fundo, os prótons e nêutrons são compostos de quarks unidos por campos de glúons (veja a dinâmica da cromodinâmica quântica ) e esses campos de glúons contribuem significativamente para a massa dos hádrons. Em outras palavras, muito do que compõe a "massa" da matéria comum se deve à energia de ligação dos quarks dentro dos prótons e nêutrons. Por exemplo, a soma da massa dos três quarks em um nucleon é de aproximadamente12,5  MeV / c ² , que é baixo em comparação com a massa de um núcleo (aproximadamente938  MeV / c ² ). O resultado final é que a maior parte da massa dos objetos do dia-a-dia vem da energia de interação de seus componentes elementares.

O modelo padrão agrupa partículas de matéria em três gerações, onde cada geração consiste em dois quarks e dois léptons. A primeira geração são os quarks up e down , o elétron e o neutrino do elétron ; o segundo inclui o charme e quarks estranhos , o múon e o neutrino do múon ; a terceira geração consiste na parte superior e inferior quark e a tau e tau neutrino . A explicação mais natural para isso seria que quarks e léptons de gerações superiores são estados excitados das primeiras gerações. Se esse for o caso, isso implicaria que quarks e léptons são partículas compostas , em vez de partículas elementares .

Essa definição de quark-leptão de matéria também leva ao que pode ser descrito como leis de "conservação da matéria (líquida)" - discutidas mais adiante. Alternativamente, pode-se retornar ao conceito de matéria massa-volume-espaço, levando à próxima definição, na qual a antimatéria passa a ser incluída como uma subclasse da matéria.

Com base em férmions elementares (massa, volume e espaço)

Uma definição comum ou tradicional de matéria é "qualquer coisa que tenha massa e volume (ocupa espaço )". Por exemplo, dir-se-ia que um carro é feito de matéria, pois tem massa e volume (ocupa espaço).

A observação de que a matéria ocupa espaço remonta à antiguidade. No entanto, uma explicação de por que a matéria ocupa espaço é recente e argumenta-se que resulta do fenômeno descrito no princípio de exclusão de Pauli , que se aplica aos férmions . Dois exemplos particulares em que o princípio de exclusão relaciona claramente a matéria à ocupação do espaço são estrelas anãs brancas e estrelas de nêutrons, discutidas mais adiante.

Assim, a matéria pode ser definida como tudo composto de férmions elementares. Embora não os encontremos na vida cotidiana, os antiquarks (como o antipróton ) e os antileptons (como o pósitron ) são as antipartículas do quark e do lépton, também são férmions elementares e têm essencialmente as mesmas propriedades dos quarks e léptons, incluindo a aplicabilidade do princípio de exclusão de Pauli que pode ser dito para evitar que duas partículas estejam no mesmo lugar ao mesmo tempo (no mesmo estado), ou seja, faz com que cada partícula "ocupe espaço". Essa definição particular leva a que a matéria seja definida para incluir qualquer coisa feita dessas partículas de antimatéria , bem como o quark e leptão comuns e, portanto, também qualquer coisa feita de mésons , que são partículas instáveis ​​feitas de um quark e um antiquark.

Na relatividade geral e cosmologia

No contexto da relatividade , a massa não é uma quantidade aditiva, no sentido de que não se pode adicionar as massas de repouso das partículas em um sistema para obter a massa de repouso total do sistema. Assim, na relatividade geralmente uma visão mais geral é que não é a soma das massas de repouso , mas o tensor de energia-momento que quantifica a quantidade de matéria. Este tensor fornece a massa de repouso para todo o sistema. A "matéria", portanto, às vezes é considerada como qualquer coisa que contribui para a energia-momento de um sistema, ou seja, qualquer coisa que não seja puramente gravidade. Essa visão é comumente defendida em campos que lidam com a relatividade geral , como a cosmologia . Nesta visão, a luz e outras partículas e campos sem massa fazem parte da "matéria".

Estrutura

Na física de partículas, os férmions são partículas que obedecem às estatísticas de Fermi-Dirac . Os férmions podem ser elementares, como o elétron - ou compostos, como o próton e o nêutron. No modelo padrão , existem dois tipos de férmions elementares: quarks e léptons, que são discutidos a seguir.

Quarks

Quarks são partículas massivas de spin- 1 ⁄ 2 , o que implica que são férmions . Eles carregam uma carga elétrica de - 1 ⁄ 3  e (quarks do tipo down) ou + 2 ⁄ 3  e (quarks do tipo up). Para efeito de comparação, um elétron tem uma carga de -1 e. Eles também carregam carga de cor , que é o equivalente à carga elétrica para a interação forte . Quarks também sofrem decaimento radioativo , o que significa que eles estão sujeitos à interação fraca .

Estrutura de quark de um próton: 2 quarks up e 1 quark down.

Bariônico

Os bárions são férmions de forte interação e, portanto, estão sujeitos às estatísticas de Fermi-Dirac. Entre os bárions estão os prótons e nêutrons, que ocorrem nos núcleos atômicos, mas também existem muitos outros bárions instáveis. O termo bárion geralmente se refere a triquarks - partículas feitas de três quarks. Além disso, bárions "exóticos" feitos de quatro quarks e um antiquark são conhecidos como pentaquarks , mas sua existência não é geralmente aceita.

A matéria bariônica é a parte do universo que é feita de bárions (incluindo todos os átomos). Esta parte do universo não inclui energia escura , matéria escura , buracos negros ou várias formas de matéria degenerada, como compor estrelas anãs brancas e estrelas de nêutrons . A luz de micro-ondas vista pela Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), sugere que apenas cerca de 4,6% daquela parte do universo dentro do alcance dos melhores telescópios (isto é, matéria que pode ser visível porque a luz pode chegar até nós a partir dela), é feita de matéria bariônica. Cerca de 26,8% é matéria escura e cerca de 68,3% é energia escura.

A grande maioria da matéria comum no universo é invisível, uma vez que estrelas visíveis e gás dentro das galáxias e aglomerados são responsáveis ​​por menos de 10 por cento da contribuição da matéria comum para a densidade de massa-energia do universo.

Uma comparação entre a anã branca IK Pegasi B (centro), sua companheira de classe A IK Pegasi A (esquerda) e o Sol (direita). Esta anã branca tem uma temperatura de superfície de 35.500 K.

Hadrônico

Matéria hadrônica pode se referir a matéria bariônica 'comum', feita de hadrons (bárions e mésons ), ou matéria quark (uma generalização de núcleos atômicos), ou seja, a matéria QCD de 'baixa' temperatura . Inclui matéria degenerada e o resultado de colisões de núcleos pesados ​​de alta energia.

Degenerar

Na física, a matéria degenerada se refere ao estado fundamental de um gás de férmions a uma temperatura próxima do zero absoluto. O princípio de exclusão de Pauli requer que apenas dois férmions possam ocupar um estado quântico, um spin-up e outro spin-down. Portanto, a temperatura zero, os férmions preenchem níveis suficientes para acomodar todos os férmions disponíveis - e, no caso de muitos férmions, a energia cinética máxima (chamada energia de Fermi ) e a pressão do gás tornam-se muito grandes, e depende de o número de férmions em vez da temperatura, ao contrário dos estados normais da matéria.

Acredita-se que a matéria degenerada ocorra durante a evolução de estrelas pesadas. A demonstração de Subrahmanyan Chandrasekhar de que estrelas anãs brancas têm uma massa máxima permitida por causa do princípio de exclusão causou uma revolução na teoria da evolução estelar.

A matéria degenerada inclui a parte do universo que é composta de estrelas de nêutrons e anãs brancas.

Estranho

A matéria estranha é uma forma particular de quark , geralmente considerada um líquido de quarks up , down e estranhos . É contrastado com a matéria nuclear , que é um líquido de nêutrons e prótons (que são formados de quarks up e down), e com a matéria quark não estranha, que é um líquido de quark que contém apenas quarks up e down. Em densidade alta o suficiente, espera-se que matéria estranha seja supercondutora de cor . A hipótese de que matéria estranha ocorre no núcleo de estrelas de nêutrons , ou, mais especulativamente, como gotículas isoladas que podem variar em tamanho de femtômetros ( strangelets ) a quilômetros ( estrelas de quark ).

Dois significados

Em física de partículas e astrofísica , o termo é usado de duas maneiras, uma mais ampla e outra mais específica.

1. O significado mais amplo é apenas matéria de quark que contém três sabores de quarks: up, down e estranho. Nesta definição, existe uma pressão crítica e uma densidade crítica associada, e quando a matéria nuclear (feita de prótons e nêutrons ) é comprimida além dessa densidade, os prótons e nêutrons se dissociam em quarks, produzindo matéria quark (provavelmente matéria estranha).
2. O significado mais restrito é a matéria quark que é mais estável do que a matéria nuclear . A ideia de que isso poderia acontecer é a "hipótese da matéria estranha" de Bodmer e Witten. Nesta definição, a pressão crítica é zero: o verdadeiro estado fundamental da matéria é sempre quark. Os núcleos que vemos na matéria ao nosso redor, que são gotículas de matéria nuclear, são na verdade metaestáveis e, com tempo suficiente (ou o estímulo externo correto), decairiam em gotículas de matéria estranha, ou seja, strangelets .

Leptons

Os léptons são partículas de spin- 1 ⁄ 2 , o que significa que são férmions . Eles carregam uma carga elétrica de -1  e (léptons carregados) ou 0 e (neutrinos). Ao contrário dos quarks, os léptons não carregam carga colorida , o que significa que eles não experimentam a interação forte . Os léptons também sofrem decaimento radioativo, o que significa que estão sujeitos à interação fraca . Os léptons são partículas massivas, portanto, estão sujeitos à gravidade.

Fases

Diagrama de fases para uma substância típica em um volume fixo. O eixo vertical é P ressure, o eixo horizontal é T emperature. A linha verde marca o ponto de congelamento (acima da linha verde é sólido , abaixo é líquido ) e a linha azul o ponto de ebulição (acima é líquido e abaixo é gás ). Assim, por exemplo, em T mais alto , um P mais alto é necessário para manter a substância em fase líquida. No ponto triplo as três fases; líquido, gás e sólido; pode coexistir. Acima do ponto crítico, não há diferença detectável entre as fases. A linha pontilhada mostra o comportamento anômalo da água : o gelo derrete em temperatura constante com o aumento da pressão.

A granel , a matéria pode existir em várias formas diferentes, ou estados de agregação, conhecidos como fases , dependendo da pressão ambiente , temperatura e volume . Uma fase é uma forma de matéria que tem uma composição química e propriedades físicas relativamente uniformes (como densidade , calor específico , índice de refração e assim por diante). Essas fases incluem as três fases familiares ( sólidos , líquidos e gases ), bem como estados mais exóticos da matéria (como plasmas , superfluidos , supersólidos , condensados ​​de Bose-Einstein , ...). Um fluido pode ser um líquido, gás ou plasma. Existem também fases paramagnéticas e ferromagnéticas de materiais magnéticos . Conforme as condições mudam, a matéria pode mudar de uma fase para outra. Esses fenômenos são chamados de transições de fase e são estudados no campo da termodinâmica . Em nanomateriais, a proporção amplamente aumentada de área de superfície para resultados de volume em matéria que pode exibir propriedades totalmente diferentes daquelas do material a granel, e não bem descritas por qualquer fase a granel (consulte nanomateriais para mais detalhes).

As fases às vezes são chamadas de estados da matéria , mas esse termo pode levar à confusão com os estados termodinâmicos . Por exemplo, dois gases mantidos em pressões diferentes estão em estados termodinâmicos diferentes (pressões diferentes), mas na mesma fase (ambos são gases).

Antimatéria

A antimatéria é a matéria composta das antipartículas daquelas que constituem a matéria comum. Se uma partícula e sua antipartícula entram em contato uma com a outra, as duas se aniquilam ; isto é, eles podem ser convertidos em outras partículas com energia igual de acordo com a equação de Albert Einstein E = mc ² . Essas novas partículas podem ser fótons de alta energia ( raios gama ) ou outros pares partícula-antipartícula. As partículas resultantes são dotadas de uma quantidade de energia cinética igual à diferença entre a massa de repouso dos produtos da aniquilação e a massa de repouso do par partícula-antipartícula original, que geralmente é muito grande. Dependendo da definição de "matéria" adotada, pode-se dizer que a antimatéria é uma subclasse particular da matéria ou o oposto da matéria.

A antimatéria não é encontrada naturalmente na Terra, exceto muito brevemente e em pequenas quantidades (como resultado de decadência radioativa , relâmpagos ou raios cósmicos ). Isso ocorre porque a antimatéria que veio a existir na Terra fora dos limites de um laboratório de física adequado iria quase instantaneamente encontrar a matéria comum de que a Terra é feita e ser aniquilada. Antipartículas e alguma antimatéria estável (como anti-hidrogênio ) podem ser feitas em pequenas quantidades, mas não em quantidade suficiente para fazer mais do que testar algumas de suas propriedades teóricas.

Há considerável especulação tanto na ciência quanto na ficção científica sobre por que o universo observável é aparentemente quase inteiramente matéria (no sentido de quarks e léptons, mas não antiquarks ou antileptons), e se outros lugares são quase inteiramente antimatéria (antiquarks e antileptons) em vez disso . No início do universo, pensa-se que matéria e antimatéria eram igualmente representadas, e o desaparecimento da antimatéria requer uma assimetria nas leis físicas chamada violação de simetria CP (paridade de carga) , que pode ser obtida a partir do Modelo Padrão, mas neste momento a aparente assimetria de matéria e antimatéria no universo visível é um dos grandes problemas não resolvidos da física . Os possíveis processos pelos quais isso aconteceu são explorados com mais detalhes em bariogênese .

Formalmente, as partículas de anti-matéria pode ser definido pela sua negativa número bárion ou leptão número , enquanto (não-antimatéria) "normal" matéria partículas têm bárion positivo ou número leptão. Essas duas classes de partículas são as antipartículas parceiras uma da outra.

Em outubro de 2017, os cientistas relataram mais evidências de que matéria e antimatéria , igualmente produzidas no Big Bang , são idênticas, deveriam se aniquilar completamente e, como resultado, o universo não deveria existir. Isso implica que deve haver algo, ainda desconhecido para os cientistas, que interrompeu a destruição mútua completa de matéria e antimatéria no universo em formação inicial ou que deu origem a um desequilíbrio entre as duas formas.

Conservação

Duas quantidades que podem definir uma quantidade de matéria no sentido quark-leptão (e a anti-sentido numa antiquark-antilepton), número bárion e número leptão , são conservados no modelo padrão. Um bárion como o próton ou nêutron tem um número bárion de um, e um quark, porque há três em um bárion, recebe um número bárion de 1/3. Portanto, a quantidade líquida de matéria, medida pelo número de quarks (menos o número de antiquarks, cada um com um número bárion de -1/3), que é proporcional ao número bárion e ao número de léptons (menos antileptons), que é chamado de número do leptão, é praticamente impossível mudar em qualquer processo. Mesmo em uma bomba nuclear, nenhum dos bárions (prótons e nêutrons dos quais os núcleos atômicos são compostos) são destruídos - há tantos bárions depois quanto antes da reação, então nenhuma dessas partículas de matéria são realmente destruídas e nem mesmo convertidas a partículas não-materiais (como fótons de luz ou radiação). Em vez disso, a energia de ligação nuclear (e talvez cromodinâmica) é liberada, à medida que esses bárions se ligam a núcleos de tamanho médio com menos energia (e, equivalentemente , menos massa) por nucleon em comparação com o original pequeno (hidrogênio) e grande (plutônio, etc. ) núcleos. Mesmo na aniquilação elétron-pósitron , não há matéria líquida sendo destruída, porque havia matéria líquida zero (número total de leptons zero e número bárion) para começar antes da aniquilação - um lepton menos um antilepton é igual a número leptônico zero - e este a matéria do valor líquido não muda, pois simplesmente permanece zero após a aniquilação.

Em suma, a matéria, conforme definida na física, refere-se a bárions e léptons. A quantidade de matéria é definida em termos de número de bárions e leptões. Bárions e léptons podem ser criados, mas sua criação é acompanhada por antibárions ou antileptons; e podem ser destruídos, aniquilando-os com antibárions ou antileptons. Como os antibárions / antileptons têm números bárions / leptons negativos, os números gerais dos bárions / leptons não são alterados, então a matéria é conservada. No entanto, bárions / léptons e antibárions / antileptons têm massa positiva, portanto, a quantidade total de massa não é conservada. Além disso, fora das reações nucleares naturais ou artificiais, quase não há antimatéria geralmente disponível no universo (ver assimetria bárion e leptogênese ), de modo que a aniquilação de partículas é rara em circunstâncias normais.

Escuro

A matéria comum, na definição de quarks e leptons, constitui cerca de 4% da energia do universo observável . A energia restante é teoricamente devida a formas exóticas, das quais 23% é matéria escura e 73% é energia escura .

Curva de rotação da galáxia para a Via Láctea. O eixo vertical é a velocidade de rotação em torno do centro galáctico. O eixo horizontal é a distância do centro galáctico. O sol está marcado com uma bola amarela. A curva de velocidade de rotação observada é azul. A curva prevista com base na massa estelar e no gás da Via Láctea é vermelha. A diferença se deve à matéria escura ou talvez a uma modificação da lei da gravidade . A dispersão nas observações é indicada aproximadamente por barras cinza.

Na astrofísica e na cosmologia , a matéria escura é uma matéria de composição desconhecida que não emite ou reflete radiação eletromagnética suficiente para ser observada diretamente, mas cuja presença pode ser inferida a partir de efeitos gravitacionais na matéria visível. Evidências observacionais do universo primitivo e da teoria do Big Bang requerem que esta matéria tenha energia e massa, mas não seja composta de bárions comuns (prótons e nêutrons). A visão comumente aceita é que a maior parte da matéria escura é de natureza não bariônica . Como tal, é composto de partículas ainda não observadas em laboratório. Talvez sejam partículas supersimétricas , que não são partículas do Modelo Padrão , mas relíquias formadas com energias muito altas na fase inicial do universo e ainda flutuando.

Energia

Em cosmologia , energia escura é o nome dado à fonte da influência repelente que está acelerando a taxa de expansão do universo . Sua natureza exata é atualmente um mistério, embora seus efeitos possam ser razoavelmente modelados atribuindo propriedades semelhantes à matéria, como densidade de energia e pressão, ao próprio vácuo .

Totalmente 70% da densidade da matéria no universo parece estar na forma de energia escura. Vinte e seis por cento é matéria escura. Apenas 4% é matéria comum. Portanto, menos de 1 parte em 20 é feita de matéria que observamos experimentalmente ou que descrevemos no modelo padrão da física de partículas. Dos outros 96%, além das propriedades mencionadas, não sabemos absolutamente nada.

-  Lee Smolin (2007), The Trouble with Physics , p. 16

Exótico

Matéria exótica é um conceito de física de partículas , que pode incluir matéria escura e energia escura, mas vai além para incluir qualquer material hipotético que viole uma ou mais das propriedades de formas conhecidas de matéria. Alguns desses materiais podem possuir propriedades hipotéticas, como massa negativa .

Estudo histórico

Antiguidade (c. 600 aC - c. 322 aC)

Na Índia antiga , os budistas, os hindus e os jainistas desenvolveram, cada um, uma teoria particulada da matéria, postulando que toda a matéria é feita de átomos ( paramanu , pudgala ) que são em si "eternos, indestrutíveis e inumeráveis" e que se associam e se dissociam de acordo a certas leis naturais fundamentais para formar matéria mais complexa ou mudar com o tempo. Eles acoplaram suas idéias de alma, ou a falta delas, em sua teoria da matéria. Os mais fortes desenvolvedores e defensores dessa teoria foram a escola Nyaya- Vaisheshika , com as ideias do filósofo Kanada (c. Século VI aC) sendo as mais seguidas. Os budistas também desenvolveram essas idéias no final do primeiro milênio aC, idéias semelhantes à escola hindu Vaishashika, mas que não incluíam nenhuma alma ou consciência. Os jainistas incluíam a alma ( jiva ), acrescentando qualidades como sabor, cheiro, toque e cor a cada átomo. Eles ampliaram as idéias encontradas na literatura primitiva dos hindus e budistas, acrescentando que os átomos são úmidos ou secos e que os cimentos de qualidade são importantes. Eles também propuseram a possibilidade de que os átomos se combinem por causa da atração dos opostos, e a alma se liga a esses átomos, se transforma com o resíduo do carma e transmigra a cada renascimento.

Na Europa , os pré-socráticos especularam a natureza subjacente do mundo visível. Tales (c. 624 aC - c. 546 aC) considerava a água como o material fundamental do mundo. Anaximandro (c. 610 aC - c. 546 aC) postulou que o material básico era totalmente sem caráter ou ilimitado: o Infinito ( apeiron ). Anaxímenes (floresceu em 585 aC, m. 528 aC) postulou que o material básico era o pneuma ou ar. Heráclito (c. 535-c. 475 aC) parece dizer que o elemento básico é o fogo, embora talvez ele queira dizer que tudo é mudança. Empédocles (c. 490–430 aC) falou de quatro elementos dos quais tudo foi feito: terra, água, ar e fogo. Enquanto isso, Parmênides argumentou que a mudança não existe, e Demócrito argumentou que tudo é composto de corpos inertes e minúsculos de todas as formas chamados átomos, uma filosofia chamada atomismo . Todas essas noções tinham profundos problemas filosóficos.

Aristóteles (384-322 aC) foi o primeiro a colocar a concepção em uma base filosófica sólida, o que ele fez em sua filosofia natural, especialmente no livro de Física I. Ele adotou como suposições razoáveis ​​os quatro elementos de Empédocles , mas acrescentou um quinto, éter . No entanto, esses elementos não são básicos na mente de Aristóteles. Em vez disso, eles, como tudo no mundo visível, são compostos dos princípios básicos de matéria e forma.

Pois minha definição de matéria é apenas esta - o substrato primário de cada coisa, do qual vem sem qualificação e que persiste no resultado.

-  Aristóteles, Física I: 9: 192a32

A palavra que Aristóteles usa para a matéria, ὕλη ( hyle ou hule ) , pode ser traduzida literalmente como madeira ou madeira, ou seja, "matéria-prima" para construção. Na verdade, a concepção de matéria de Aristóteles está intrinsecamente ligada a algo que está sendo feito ou composto. Em outras palavras, em contraste com a concepção moderna inicial da matéria como simplesmente ocupando espaço, a matéria para Aristóteles está por definição ligada ao processo ou mudança: matéria é o que está por trás de uma mudança de substância. Por exemplo, um cavalo come grama: o cavalo transforma a grama em si mesmo; a grama como tal não persiste no cavalo, mas algum aspecto dela - sua matéria - persiste. A matéria não é especificamente descrita (por exemplo, como átomos ), mas consiste em tudo o que persiste na mudança de substância da grama para o cavalo. A matéria, neste entendimento, não existe independentemente (ou seja, como uma substância ), mas existe interdependentemente (ou seja, como um "princípio") com a forma e apenas na medida em que está subjacente à mudança. Pode ser útil conceber a relação entre matéria e forma como muito semelhante àquela entre as partes e o todo. Para Aristóteles, a matéria como tal só pode receber realidade da forma; ela não tem atividade ou realidade em si mesma, semelhante ao modo como as partes, como tais, só têm sua existência em um todo (caso contrário, seriam todos independentes).

Séculos XVII e XVIII

René Descartes (1596-1650) originou a concepção moderna da matéria. Ele era principalmente um geômetra. Em vez de, como Aristóteles, deduzir a existência da matéria da realidade física da mudança, Descartes postulou arbitrariamente que a matéria é uma substância matemática abstrata que ocupa o espaço:

Assim, extensão em comprimento, largura e profundidade constituem a natureza da substância corporal; e o pensamento constitui a natureza da substância pensante. E tudo o mais atribuível ao corpo pressupõe extensão, e é apenas um modo de extensão

-  René Descartes, Princípios de Filosofia

Para Descartes, a matéria tem apenas a propriedade de extensão, então sua única atividade além da locomoção é excluir outros corpos: esta é a filosofia mecânica . Descartes faz uma distinção absoluta entre a mente, que ele define como substância pensante não estendida, e a matéria, que ele define como substância estendida e irracional. Eles são coisas independentes. Em contraste, Aristóteles define a matéria e o princípio formal / formador como princípios complementares que juntos compõem uma coisa independente ( substância ). Em suma, Aristóteles define a matéria (grosso modo) como aquilo de que as coisas são realmente feitas (com uma existência independente em potencial ), mas Descartes eleva a matéria a uma coisa independente real em si mesma.

A continuidade e a diferença entre as concepções de Descartes e Aristóteles são dignas de nota. Em ambas as concepções, a matéria é passiva ou inerte. Nas respectivas concepções, a matéria tem diferentes relações com a inteligência. Para Aristóteles, matéria e inteligência (forma) existem juntas em uma relação interdependente, enquanto para Descartes, matéria e inteligência (mente) são substâncias independentes por definição .

A justificativa de Descartes para restringir as qualidades inerentes da matéria à extensão é sua permanência, mas seu critério real não é a permanência (que se aplica igualmente à cor e à resistência), mas seu desejo de usar a geometria para explicar todas as propriedades materiais. Como Descartes, Hobbes, Boyle e Locke argumentaram que as propriedades inerentes dos corpos eram limitadas à extensão e que as chamadas qualidades secundárias, como a cor, eram apenas produtos da percepção humana.

Isaac Newton (1643-1727) herdou a concepção mecânica de Descartes da matéria. No terceiro de seu "Rules of Reasoning in Philosophy", Newton lista as qualidades universais da matéria como "extensão, dureza, impenetrabilidade, mobilidade e inércia". Da mesma forma, em Óptica, ele conjectura que Deus criou a matéria como "partículas sólidas, maciças, duras, impenetráveis, móveis", que eram "... mesmo muito difíceis de nunca se desgastar ou quebrar". As propriedades "primárias" da matéria eram passíveis de descrição matemática, ao contrário das qualidades "secundárias", como cor ou sabor. Como Descartes, Newton rejeitou a natureza essencial das qualidades secundárias.

Newton desenvolveu a noção de matéria de Descartes restaurando à matéria propriedades intrínsecas além da extensão (pelo menos em uma base limitada), como a massa. O uso da força gravitacional por Newton, que funcionava "à distância", efetivamente repudiou a mecânica de Descartes, na qual as interações aconteciam exclusivamente por contato.

Embora a gravidade de Newton parecesse uma força dos corpos, o próprio Newton não admitia que fosse uma propriedade essencial da matéria. Levando a lógica adiante de forma mais consistente, Joseph Priestley (1733-1804) argumentou que as propriedades corporais transcendem a mecânica de contato: as propriedades químicas requerem a capacidade de atração. Ele argumentou que a matéria tem outros poderes inerentes além das chamadas qualidades primárias de Descartes, et al.

Séculos 19 e 20

Desde a época de Priestley, tem havido uma expansão massiva no conhecimento dos constituintes do mundo material (viz., Moléculas, átomos, partículas subatômicas). No século 19, após o desenvolvimento da tabela periódica e da teoria atômica , os átomos eram vistos como sendo os constituintes fundamentais da matéria; átomos formaram moléculas e compostos .

A definição comum em termos de ocupação de espaço e massa está em contraste com a maioria das definições físicas e químicas da matéria, que se baseiam em sua estrutura e em atributos não necessariamente relacionados a volume e massa. Na virada do século XIX, o conhecimento da matéria iniciou uma rápida evolução.

Aspectos da visão newtoniana ainda prevaleciam. James Clerk Maxwell discutiu o assunto em seu trabalho Matter and Motion . Ele separa cuidadosamente a "matéria" do espaço e do tempo e a define em termos do objeto referido na primeira lei do movimento de Newton .

No entanto, a imagem newtoniana não era toda a história. No século 19, o termo "assunto" foi discutido ativamente por uma série de cientistas e filósofos, e um breve esboço pode ser encontrado em Levere. Uma discussão em um livro didático de 1870 sugere que a matéria é o que é feito de átomos:

Três divisões da matéria são reconhecidas na ciência: massas, moléculas e átomos.
Uma massa de matéria é qualquer porção de matéria apreciável pelos sentidos.
Uma molécula é a menor partícula de matéria na qual um corpo pode ser dividido sem perder sua identidade.
Um átomo é uma partícula ainda menor produzida pela divisão de uma molécula.

Em vez de simplesmente ter os atributos de massa e ocupação de espaço, considerou-se que a matéria tinha propriedades químicas e elétricas. Em 1909, o famoso físico JJ Thomson (1856-1940) escreveu sobre a "constituição da matéria" e estava preocupado com a possível conexão entre matéria e carga elétrica.

No final do século 19, com a descoberta do elétron , e no início do século 20, com a descoberta do experimento Geiger-Marsden do núcleo atômico e o nascimento da física de partículas , a matéria era vista como composta de elétrons, prótons e nêutrons interagindo para formar átomos. Em seguida, desenvolveu-se toda uma literatura sobre a "estrutura da matéria", desde a "estrutura elétrica" ​​no início do século 20, até a mais recente "estrutura quark da matéria", introduzida já em 1992 por Jacob com a observação: " Compreender a estrutura dos quarks da matéria tem sido um dos avanços mais importantes da física contemporânea. " Nesse sentido, os físicos falam de campos de matéria e falam de partículas como "excitações quânticas de um modo do campo de matéria". E aqui está uma citação de de Sabbata e Gasperini: "Com a palavra" matéria "denotamos, neste contexto, as fontes das interações, ou seja, campos espinorais (como quarks e leptões ), que se acredita serem os componentes fundamentais de matéria, ou campos escalares , como as partículas de Higgs , que são usadas para introduzir massa em uma teoria de calibre (e que, no entanto, podem ser compostos de campos de férmions mais fundamentais ). "

Prótons e nêutrons, entretanto, não são indivisíveis: eles podem ser divididos em quarks . E os elétrons são parte de uma família de partículas chamada léptons . Tanto os quarks quanto os léptons são partículas elementares e, em 2004, foram vistos por autores de um texto de graduação como sendo os constituintes fundamentais da matéria.

Esses quarks e leptons interagem por meio de quatro forças fundamentais : gravidade , eletromagnetismo , interações fracas e interações fortes . O modelo padrão da física de partículas é atualmente a melhor explicação para toda a física, mas, apesar de décadas de esforços, a gravidade ainda não pode ser contabilizada no nível quântico; só é descrito pela física clássica (ver gravidade quântica e gráviton ) para a frustração de teóricos como Stephen Hawking . As interações entre quarks e léptons são o resultado de uma troca de partículas portadoras de força , como fótons, entre quarks e léptons. As partículas portadoras de força não são blocos de construção. Como consequência, a massa e a energia (que até o presente conhecimento não podem ser criadas ou destruídas) nem sempre podem ser relacionadas à matéria (que pode ser criada a partir de partículas não-materiais, como os fótons, ou mesmo a partir de energia pura, como a cinética energia). Mediadores de força geralmente não são considerados matéria: os mediadores da força elétrica (fótons) possuem energia (ver relação de Planck ) e os mediadores da força fraca ( bósons W e Z ) têm massa, mas também não são considerados matéria. No entanto, embora esses quanta não sejam considerados matéria, eles contribuem para a massa total dos átomos, partículas subatômicas e todos os sistemas que os contêm.

Resumo

A concepção moderna da matéria foi refinada muitas vezes na história, à luz do aprimoramento do conhecimento do que são os blocos básicos de construção e de como eles interagem. O termo "matéria" é usado em toda a física em uma ampla variedade de contextos: por exemplo, um se refere a " física da matéria condensada ", "matéria elementar", matéria " partônica ", matéria " escura ", " anti " -matéria, " "matéria estranha e matéria" nuclear ". Em discussões sobre matéria e antimatéria , o primeiro foi referido por Alfvén como koinomatter (gr. Assunto comum ). É justo dizer que, na física , não há amplo consenso quanto a uma definição geral de matéria, e o termo "matéria" geralmente é usado em conjunto com um modificador de especificação.

A história do conceito de matéria é uma história das escalas de comprimento fundamentais usadas para definir a matéria. Diferentes blocos de construção se aplicam dependendo se alguém define a matéria em um nível de partícula atômica ou elementar. Pode-se usar a definição de que matéria são átomos, ou que matéria são hádrons , ou que matéria são léptons e quarks, dependendo da escala em que se deseja definir a matéria.

Esses quarks e léptons interagem por meio de quatro forças fundamentais : gravidade , eletromagnetismo , interações fracas e interações fortes . O modelo padrão da física de partículas é atualmente a melhor explicação para toda a física, mas, apesar de décadas de esforços, a gravidade ainda não pode ser contabilizada no nível quântico; só é descrito pela física clássica (ver gravidade quântica e gráviton ).

Veja também

Referências

Leitura adicional

• Lillian Hoddeson; Michael Riordan, eds. (1997). A ascensão do modelo padrão . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-57816-5.
• Timothy Paul Smith (2004). “A procura de quarks na matéria ordinária” . Mundos ocultos . Princeton University Press. ISBN 978-0-691-05773-6.
• Harald Fritzsch (2005). Partículas elementares: blocos de construção da matéria . World Scientific. p. 1 . Bibcode : 2005epbb.book ..... F . ISBN 978-981-256-141-1.
• Bertrand Russell (1992). “A filosofia da matéria” . A Critical Exposition of the Philosophy of Leibniz (Reimpressão de 1937 2ª ed.). Routledge. p. 88. ISBN 978-0-415-08296-9.
• Stephen Toulmin e June Goodfield, The Architecture of Matter (Chicago: University of Chicago Press, 1962).
• Richard J. Connell, Matter and Becoming (Chicago: The Priory Press, 1966).
• Ernan McMullin , The Concept of Matter in Greek and Medieval Philosophy (Notre Dame, Indiana: Univ. Of Notre Dame Press, 1965).
• Ernan McMullin , The Concept of Matter in Modern Philosophy (Notre Dame, Indiana: University of Notre Dame Press, 1978).

links externos

• Módulo Visionlearning sobre a matéria
• Matéria no universo Quanta matéria existe no universo?
• NASA no núcleo superfluido da estrela de nêutrons
• Matéria e energia: uma falsa dicotomia - conversas sobre ciência com o físico teórico Matt Strassler