Matèria (física)
El terme matèria tradicionalment es referix a la substància de la que tots els objectes estan fets, és dir, tot lo que té massa i volum.[1] No obstant, l'us modern del terme va més allà de la noció clàssica de substància i els físics denominen matèria a qualsevol entitat la presència de la qual en una certa regió del espai-temps comporta que el tensor energia-impulse para dita regió és diferent de zero. Aixina tant la matèria fermiónica, com els electrons i atres formes com la matèria bosónica són considerades matèria.
Introducció
[editar | editar còdic]Noció clàssica de substància
[editar | editar còdic]Una forma comuna d'identificar clásicamente la matèria és per mig de les seues propietats físiques; aixina una definició comuna de la matèria és “tot allò que té massa i ocupa un volum”. No obstant, esta definició té que ser revisada a la llum de la mecànica quàntica, a on el concepte "tindre massa ", i “ocupar espai" no està tan ben definit com en la vida diària. Un punt de vista més ampli és que els cossos estan formats de vàries substàncies, i les propietats de la matèria (entre elles, la massa i el volum) estan determinades no només per les substàncies mateixes, sino per com interactuen entre ells. En atres paraules, la matèria està formada per l'interacció d'uns "components bàsics",[2] és l'anomenada teoria atòmica de la matèria.[3]
El concepte de matèria ha segut refinat moltes voltes a lo llarc de l'història, sobre la base de la millora del coneiximent sobre quins són els components bàsics de la matèria, i com interactuen entre ells. Per eixemple, a principis de el XVIII, Isaac Newton considerava la matèria com "sòlida, en massa, dura, impenetrable i en partícules mòvils", que eren "inclús tan dures que mai podrien trencar-se en péntols".[4]
Les propietats "primàries" de la matèria estaven d'acort en la descripció matemàtica, a diferència de les qualitats "secundàries" com el color o el gust. En el XIX, despuix del desenroll de la taula periòdica, i la teoria atòmica, els àtoms varen ser vists com un dels components fonamentals de la matèria; a la seua volta, els àtoms formen molèculas i composts.
Més allà dels àtoms
[editar | editar còdic]A finals de el XIX en el descobriment de l'electró, i començos de el XX, en el descobriment del núcleu atòmic i el naiximent de la física de partícules, la matèria es va entendre com formada per electrons, protones i neutrons, interactuant entre ells per a formar els àtoms. Hui en dia, coneixem que inclús els protones i neutrons no són indivisibles, podent ser dividits en quarks, mentres que els electrons són part d'una família de partícules anomenades leptones. Tant els quarks com els leptones són partícules elementals i actualment són presos com els components fonamentals de la matèria.
Estos quarks i leptones interactuen per mig de quatre interaccions fonamentals: gravetat, electromagnetisme, interaccions dèbils, i interaccions fortes. El Modele estàndar és actualment la millor explicació de tota la física, pero a pesar de les décades d'esforços, la gravetat encara no pot ser considerada en el nivell quàntic; només és descrit per la física clàssica (vore gravetat quàntica i gravitón).
Les interaccions entre quarks i leptones són el resultat d'un intercanvie de partícules que transporten força (com fotons) entre els quarks i els leptones.
Les partícules que transporten força no són components bàsics de la matèria. En conseqüència, massa i energia no sempre poden relacionar-se a matèria. Per eixemple, els portadors de la força elèctrica (fotons) posseïxen l'energia (segons la constant de Planck) i els portadors de la força dèbil (els bosones W i Z) són massius, pero cap és considerat tampoc com a matèria. [6] No obstant, encara que estes partícules no són considerades com a matèria, contribuïxen realment a la massa total dels àtoms o de les partícules subatòmiques.
La matèria es diu comunament que existix en quatre estats (o fases): sòlit, líquit, gas i plasma. No obstant, els alvanços en la tècnica experimental han comprés atres fases, abans només teòriques, com el condensado de Bose-Einstein i els condensados fermiónicos. Un punt de vista de partícula elemental sobre la matèria també conduïx a noves fases de la matèria, com el plasma de quarks-gluones . En física i en química, la matèria exhibix tant propietats ondulatorias com a corpusculars, és la cridada dualitat ona-partícula
.[7]
Cosmologia
[editar | editar còdic]En l'àmbit de la cosmologia, extensions del terme “matèria” són invocades per a incloure a la matèria obscura i l'energia obscura, conceptes introduïts per a explicar alguns fenomens aïllats de l'univers observable, com les curva de rotació galàctica. Estes formes exòtiques matèria no es referixen a la matèria com "components bàsics", sino més be a les formes actualment poc enteses de massa i energia .
Definicions
[editar | editar còdic]Definició comuna
[editar | editar còdic]
La definició comuna de matèria és “alguna cosa que posseïx massa i volum” (ocupa un espai).
Per eixemple, un carro, com es diria, que està fet de matèria, ya que ocupa espai, i té massa.
L'observació de que la matèria ocupa espai ve des de l'antiguetat. No obstant, una explicació sobre per qué la matèria ocupa un espai és recent, i s'argumenta com un resultat del Principi d'exclusió de Pauli.
Dos eixemples particulars a on el principi d'exclusió relaciona clarament la matèria en l'ocupació d'espai són les estreles del tipo nana blanca i estrela de neutrons, discutides més alvance.
Cantitat de substància
[editar | editar còdic]l'Oficina Internacional de Pesos i Mides (BIPM) recomane usar l'expressió "cantitat de substància", millor que "matèria".
La cantitat de substància es definix proporcional al número d'entitats elementals especificades en una mostra; la constant de proporcionalitat és una constant universal que és la mateixa per a totes les mostres. L'unitat de cantitat de substància es denomina mol (símbol: mol), i el mol es definix especificant la massa de carbono 12 que conté un mol d'àtoms de carbono 12. Segons l'acort internacional açò va ser fixat en 0.012 quilograms (12 g).
- 1. El mol és la cantitat de substància d'un sistema que conté un número d'entitats elementals com a àtoms hi ha en 0,012 kg de carbono 12; el seu símbol és “mol".
- 2. Quan s'use el terme “mol”, les entitats elementals deuen ser especificades i poden ser àtoms, molècules, ions, electrons, atres partícules, o grups específics de tals partícules.
Definició basada en àtoms i molècules
[editar | editar còdic]Una definició "de matèria" basada sobre el seu "estructura" física i química és: " la matèria està formada d'àtoms i molèculas". Esta definició és compatible en la definició BIPM anterior de "cantitat de substància ", pero és més específica sobre els components de matèria (i indiferent sobre l'unitat "mol"). Esta definició només seria aplicable a la matèria ordinària o bariónica, que segons les estimacions forma menys del 5% de la matèria, en sentit ampli, que forma l'univers.
Com un eixemple de matèria segons esta definició podem senyalar: l'informació genètica és transportada per una molècula llarga cridada ADN, que és copiat i heretat a través de generacions. El ADN és matèria conforme a esta definició ya que està formada per àtoms, i no en virtut de tindre massa o l'ocupació de l'espai. Esta definició pot ser ampliada per a incloure àtoms carregats i molècules, aixina com per a incloure el plasma, (gasos d'ions) i l'electròlit (solucions iòniques), que òbviament no s'inclouen en la definició de molècules i els àtoms. Alternativament, també es pot adoptar la “definició basada en protones, neutrons i electrons " següent.
Definició basada en protones, neutrons i electrons
[editar | editar còdic]Una definició "de matèria" a menor escala que la definició d'àtoms i molècules: " la matèria està formada d'allò de lo que els àtoms i les molèculas estan fets ", significant en açò alguna cosa que està fet de protones, neutrons i electrons .[8]
Esta definició va més allà d'àtoms i molècules, no obstant, per a incloure substàncies fetes d'estos components bàsics que “no” són simplement àtoms o molècules, per eixemple la matèria de les nanes blanques - típicament, núcleus de carbono i d'oxigen en una mar d'electrons degenerados. En un nivell microscòpic, "les partícules" constituents de la matèria tals com protones, neutrons i electrons obedixen les lleis de mecànica quàntica i exhibixen un comportament dual ona-partícula. A un nivell encara més profunt, els protones i neutrons estan formats per quarks i els camps de força (gluones) que unix.
Definició basada en quarks i leptones
[editar | editar còdic]
Com es pot apreciar en l'anterior discussió, moltes de les primeres definicions de lo que es va cridar “matèria ordinària” estaven basat sobre la seua estructura "o components bàsics". En l'escala de les partícules elementals, una definició que seguix esta tradició pot enunciar-se com que: " la matèria ordinària és tot que és format de partícules elementals fermiones, a saber quarks i leptones.
La conexió entre estes formulació és com seguix.
Els leptons (el més famós és l'electró), i els quarks (que formen els bariones, com són els protones i els neutrons) es combinen per a formar àtoms, que a la seua volta formen molèculas. Ya que els àtoms i les molècules es diu que són matèria, és natural una frase per a la definició com: "la matèria ordinària és alguna cosa que està format de lo mateix de lo que estan fets els àtoms i les molècules". (No obstant, cal senyalar que també es pot fer en estos mateix components bàsics una atra matèria que no són els àtoms o molècules.) Aixina, ya que els electrons són leptones i els protones i neutrons estan formats per quarks, esta definició, a la seua volta, conduïx a la definició de matèria com formada de " quarks i leptones ", que són els dos tipos elementals de fermiones. Segons Carithers i Grannis: " La matèria ordinària està formada enterament de partícules de la primera generació, a saber els quarks “o” [up, damunt] i “d" [down, avall], més l'electró i el seu neutrino. [9] (Per "de la primera generació" s'entén quarks estables i leptones. "Generacions superiors” decauen en partícules "de la primera generació". [10]) Esta definició de matèria ordinària és més sotil de lo que en principi sembla. Hi ha dos grups de partícules. Totes les partícules que constituïxen la matèria, com a electrons, protones i neutrinos, són fermiones. Tots els portadors de força són bosones . Vore la taula de la figura. Els bosones W i Z que medien la força dèbil no estan formats de quarks i leptones, i aixina, no són matèria ordinària, pero realment tenen massa .[11] En atres paraules, la massa no és alguna cosa exclusiu de la matèria ordinària.
La definició de matèria ordinària basada en els quark i leptones ordinària, no obstant, no solament identifica els components bàsics elementals de la matèria, sino que també inclou els agregats formats en estos constituents (àtoms i molècules, per eixemple). Tals agregats contenen una energia d'interacció que manté als components units, i pot constituir la major part de la massa de l'agregat. Per eixemple, en la seua major part, la massa d'un àtom és simplement la suma de les masses de les seues protones, neutrons i electrons constituents. No obstant, a un nivell més profunt, els protones i neutrons estan formats de quarks units per camps de gluones. (Vore QCD) . Bàsicament, la major part de la massa d'hadrones és l'energia d'interacció dels quarks enllaçats. Aixina, la major part de que es compon "la massa" de la matèria ordinària és l'energia d'interacció interquark . Per eixemple, "Les forces gluónicas que enllacen tres quarks (de massa total 12.5 MeV) per a formar un nucleón contribuïxen a la major part de la seua massa de 938 MeV .[12] De manera similar, el plasma de quark-gluones, es considera un estat de matèria, i òbviament inclou els gluones. Lo essencial ací és: en un complex com un àtom o un hadrón, la matèria en el complex no és generalment la font més significativa de la massa pertanyent al complex.
¿Els menors components bàsics?
[editar | editar còdic]"En el passat, la busca dels components bàsics de la matèria nos ha conduït a entitats “cada volta més elementals” - de la molècula a l'àtom, al núcleu i electrons, als nucleones, i finalment als quarks. Pero, ¿hem completat este procés de “pelar la ceba”...? .[13]
El Model estàndar agrupa les partícules materials en tres generacions, a on cada generació consta de dos quarks i dos leptones. La primera generació són els quarks "up" (dalt) i “down” (avall), el "electró" i el "neutrino electrònic"; la segona inclou els quarks "charm" (encant) i "strange” (estrany), el "muon" i el " neutrino muónico"; la tercera generació consistix en els quarks "top” (cim) i “bottom” (vall)" el "tau" i el "neutrino tauónico” .[14] "... l'explicació més natural a l'existència de les generacions més altes de quarks i leptones és que corresponen a estats excitats de la primera generació, i l'experiència sugerix que els sistemes excitats deuen ser agregats" .[13]
Discussió i fondo
[editar | editar còdic]La definició habitual de matèria en els térmens d'ocupar espai i tindre massa està enfrontada en les definicions de la majoria dels físics i químics de la matèria, que es basen en canvi en la seua estructura i en atributs no necessàriament relacionades en el volum i massa. James Clerk Maxwell va discutir sobre la matèria en la seua obra “Matèria i Moviment” . Separa cuidadosadament "matèria" d'espai i temps, i la definix en térmens de l'objecte contemplat en la primera llei de Newton del moviment. En el XIX, el terme "matèria", va ser discutit activament per una multitut de científics i filòsofs, i una breu resenya es pot trobar en Levere . Una discussió de texts a partir de 1870 sugerix que matèria és tot allò que està fet d'àtoms .
Tres divisions de la matèria són reconeguts en la ciència: les masses, les molècules i els àtoms. Una massa de matèria és qualsevol porció de matèria apreciable pels sentits. Una molècula és la partícula més chicoteta de la matèria en la que un cos pot dividir-se sense perdre la seua identitat. Un àtom és una partícula encara més chicoteta produïda per la divisió d'una molècula.
En lloc de considerar solament els atributs de tindre massa i ocupar un espai, la matèria es va relacionar en tindre propietats químiques i elèctriques. El famós físic JJ Thomson va escriure sobre la "constitució de la matèria" i es referia a la possible conexió entre la matèria i la càrrega elèctrica . Hi ha tota una lliteratura sobre la "estructura de la matèria", que van des de la “estructura elèctrica" al començament de el XX , a la més recent "estructura de quarks de la matèria", presentat hui en la següent observació: ”Comprendre l'estructura de quarks de la matèria ha segut un dels més importants alvanços en la física contemporànea” .[15] En este sentit, els físics parlen de “camps de matèria”, i parlen de les partícules com "excitació quàntiques d'un modo del camp material" .
He ací una cita de De Sabbata i Gasperini: "En la paraula "matèria" es designa, en este context, les fonts de les interaccions, que són, camps espinoriales (com quarks i leptones), que es creu que són els components fonamentals de la matèria, o camps de bosones s, com el partícula de Higgs, que s'utilisen per a introduir la massa en una teoria de camp de gauge (i que, no obstant, podria estar compost per més camps de fermiones fonamentals) . El terme "matèria" s'utilisa en física en una desconcertante varietat de contexts: per eixemple, un es referix a "física de la matèria condensada"
"matèria elemental", , “matèria partónica", “matèria obscura", “antimatèria, matèria estranya", i matèria nuclear. En els debats de la matèria i l'antimatèria, la matèria normal ha segut mencionat per Alfvén com “koinomateria” . És necessari dir que en física, no existix ampli consens sobre una definició exacta de matèria, i el terme "matèria" per lo general s'utilisa en conjunció en algun modificador.
Per tot lo expost, en térmens generals, en el context de la física moderna s'estén el concepte de matèria a:
- Qualsevol camp, entitat, o discontinuïtat traducible a fenomen perceptible que es propaga a través del espai-temps a una velocitat igual o inferior a la de la llum i a la que es puga associar energia.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ «%2fwww.accessscience.com%2fcontent.aspx%3fid%3d410600 Matter (physics)». McGraw-Hill's Access Science: Encyclopedia of Science and Technology Online. Consultat el 24 de maig de 2009.
- ↑ G. 't Hooft (1997). In search of the ultimate building blocks, Cambridge University Press, p. 6. ISBN 0521578833.
- ↑ The particulate theory of matter dates back to Leucippus (≈490 BC) and Democritus (≈470-380 a. C.). Vore
- ↑ Newton's 31st query, as quoted by D.R. Oldroyd (1986). The Arch of Knowledge: An Introductory Study of the History of the Philosophy and Methodology of Science, Routledge, p. 83. ISBN 0416013414.
- ↑ The history of the concept of matter is a history of the fonamental length scales used to definix matter. Different building blocks apply depending upon whether one definixes matter on an atomic or elementary particle level. One may use a definition that matter is atoms, or that matter is hadrons, or that matter is leptons and quarks depending upon the scale at which one wishes to definix matter.
- ↑ , and
- ↑ Erro en la cita: L'element
<ref>no és vàlit; puix no n'hi ha una referència en text nomenadaMasujima - ↑ Michael De Podesta (2002). Understanding the Properties of Matter, 2ª edició, CRC Press, p. 8. ISBN 0415257883.
- ↑ See p.7 in
- ↑ Donen Green (2005). High PT (transverse momentum) physics at hadron colliders, Cambridge University Press, p. 23. ISBN 0521835097.
- ↑ El bosón W té una massa de 80.43 GeV; vore Figure 1 en
- ↑ T Hatsuda (2008). «Quark-gluon plasma and QCD», Hisazumi Akai (ed.). Condensed matter theories, Nova Publishers, p. 296. ISBN 1600215017.
- ↑ 13,0 13,1 Yuval Ne̕eman, Y. Kirsh (1996). The particle hunters, 2 edició, Cambridge University Press, p. 276. ISBN 0521476860.
- ↑ Kent Wade Staley (2004). «Origins of the third generation of matter», The evidence for the top quark, Cambridge University Press, p. 8. ISBN 0521827108.
- ↑ M. Jacob (1992). The Quark Structure of Matter, World Scientific. ISBN 9810236875.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Materia (física)» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.