Materia (fisica): differenze tra le versioni

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In [[fisica classica]], con il termine '''materia''', si indica genericamente qualsiasi oggetto che abbia [[massa (fisica)|massa]] e che occupi [[spazio (fisica)|spazio]]; oppure, alternativamente, la sostanza di cui gli oggetti fisici sono composti, escludendo quindi l'[[energia]], che è dovuta al contributo dei [[Campo di forze|campi di forze]].

Questa definizione, sufficiente per la fisica macroscopica, oggetto di studio della [[meccanica (fisica)|meccanica]] e della [[termodinamica]], non si adatta bene alle moderne teorie nel campo microscopico, proprie della [[fisica atomica]] e [[fisica delle particelle|subatomica]]. Ad esempio, lo spazio occupato da un oggetto è prevalentemente [[Vuoto (fisica)|vuoto]], dato il grande rapporto (≈<math>10^5</math>) tra il raggio medio delle [[Orbitale atomico|orbite elettroniche]] e le dimensioni tipiche di un [[nucleo atomico]]; inoltre, la [[Legge della conservazione della massa (fisica)|legge di conservazione della massa]] è fortemente violata su scale subatomiche.

In questi ambiti, si può invece adottare la definizione che la materia è costituita da una certa classe di [[Particella (fisica)|particelle]], che sono le più piccole e fondamentali entità fisicamente rilevabili: queste particelle sono dette ''[[Fermione|fermioni]]'' e seguono il [[principio di esclusione di Pauli]], il quale stabilisce che non più di un fermione può esistere nello stesso stato quantistico. A causa di questo principio, le particelle che compongono la materia non si trovano tutte allo stato di energia minima e per questa ragione è possibile creare strutture stabili di assemblati di fermioni.

Particelle della classe complementare, dette ''[[Bosone (fisica)|bosoni]]'', costituiscono invece i [[Campo (fisica)|campi]]. Essi possono quindi essere considerati gli agenti che operano gli assemblaggi dei fermioni o le loro modificazioni, interazioni e scambi di energia. Una metafora non del tutto corretta da un punto di vista fisico, ma efficace e intuitiva, vede i fermioni come i mattoncini che costituiscono la materia dell'universo, e i bosoni come le colle o i cementi che li tengono assieme per costituire la realtà fisica.

== Etimologia ==

Il termine ''"materia''" deriva dall'equivalente latino ''materia'', ma può essere ricondotto direttamente anche al termine latino ''mater'', che significa ''"madre''". L'etimologia del termine lascia quindi intuire come la materia possa essere considerata il fondamento costituente di tutti i corpi e di tutte le cose: la sostanza prima di cui tutte le altre sostanze sono formate. Il termine [[materia (filosofia)|materia]] deriva dal gergo filosofico.

== Storia ==

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Nel medioevo e nell'antichità era radicata la convinzione aristotelica che la materia fosse composta da quattro elementi: terra, aria, acqua e fuoco. Ciascuno di questi, avendo un diverso "peso", tende verso il proprio luogo naturale, lasciando al centro dell'universo la terra e l'acqua, facendo invece salire verso l'alto aria e fuoco. Inoltre si credeva che la materia fosse un insieme continuo, privo completamente del vuoto (la natura aborre il vuoto, ''[[horror vacui]]''). Oggi invece si è scoperto che la materia è al contrario composta per oltre il 99% di vuoto.

Una grossa disputa nella [[filosofia greca]] riguardò la possibilità che la materia possa essere divisa indefinitamente in parti sempre più piccole. Contrari a questa ipotesi, gli [[Atomismo|atomisti]] erano invece convinti che vi fosse una struttura elementare costituente la materia non ulteriormente divisibile.

== Descrizione ==

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La materia è costituita da elettroni e da aggregati di [[quark (particella)|quark]] stabili nel tempo. Tutti questi [[fermioni]] hanno [[spin]] semi-dispari (1/2) e devono pertanto seguire il [[principio di esclusione di Pauli]], che vieta a due fermioni di occupare lo stesso stato quantistico. Questo sembra corrispondere all'elementare proprietà d'impenetrabilità della materia e al concetto d'occupazione dello spazio.

I [[protone|protoni]] sono costituiti da 2 [[quark up]] e 1 down (che sono detti di valenza in quanto determinano quasi tutte le caratteristiche fisiche - ma non la massa - del protone): p = (uud). I [[neutrone|neutroni]] sono invece formati da 2 [[quark down]] e 1 up: n = (udd). Anche protoni e neutroni, detti collettivamente [[nucleone|nucleoni]], sono fermioni in quanto hanno spin 1/2. Dato che elettroni, protoni e neutroni si aggregano per costituire atomi e molecole, questi tre tipi di fermioni costituiscono quella che viene ordinariamente intesa come materia, formata appunto da atomi e molecole.

Tuttavia solo il 9% della massa di un protone proviene da quelle dei [[quark (particella)|quark]] di valenza che lo costituiscono. Il restante 91% è dovuto all'energia cinetica dei quark (32%), all'energia cinetica dei [[gluoni]] (36%) e all'energia d'interazione tra quark e gluoni (23%).<ref>{{cita pubblicazione|autore= Y B. Yang et al. |titolo = Proton mass decomposition from the QCD energy momentum tensor| rivista = Physical Review Letters |volume= 121 |anno=2018|pagina=212001|doi = 10.1103/PhysRevLett.121.212001}}</ref><ref>{{Cita web|url= https://www.sciencenews.org/article/proton-mass-quarks-calculation |titolo= Where the proton's mass comes from |sito= https://www.sciencenews.org |accesso=1º dicembre 2018}}</ref> La definizione di materia ordinaria come "formata" da elettroni e nucleoni è quindi problematica, in quanto la massa dei nucleoni non è riconducibile alla somma delle masse dei quark costituenti. Inoltre, il neutrone libero non è stabile, ma al di fuori di un [[nucleo atomico]] decade con una vita media di circa 887 secondi. Ciò rende problematica la definizione dei neutroni liberi, che sono instabili, come materia.

Anche il caso dei [[radioattività|nuclei radioattivi]] presenta qualche ambiguità. La vita media dei vari [[radionuclide|radionuclidi]] può variare da 10⁻¹² secondi fino a 10⁹ anni. Non è chiaro quale sia il valore di vita media da considerare come discriminante per la definizione di materia. Sembra paradossale non considerare materia un nucleo instabile, ma con una vita media paragonabile all'[[età dell'universo]] (13,8 miliardi di anni). D'altra parte, non vi è un criterio per stabilire quale sia la vita media minima per trascurare l'instabilità di un nucleo radioattivo, considerandolo quindi materia.

Secondo la definizione data, non sono materia i [[bosoni di gauge]]: [[fotoni]] e [[gluoni]] in quanto privi di massa, i [[bosoni W e Z]] perché instabili. Analogamente, non lo sono il [[bosone di Higgs]], che decade, e l'ipotetico [[gravitone]], che dovrebbe avere massa nulla. Tra i [[leptone|leptoni]], solo l'elettrone risulta stabile, e quindi costituisce la materia. Nella famiglia degli [[adroni]], non sono materia le particelle del gruppo dei [[mesoni]], formati da una o due coppie di quark e [[antiquark]]. Essi sono [[Bosone (fisica)|bosoni]] (hanno spin intero 0 o 1), non seguono il [[principio di esclusione di Pauli]] e quindi non si può dire che occupino spazio nel senso sopra menzionato. Inoltre, nessun mesone risulta stabile. Analogamente, tra gli [[adroni]] non sono considerati materia tutti quei [[barioni]], formati da 3 o 5 quark, che sono instabili ovvero decadono in modo estremamente rapido in componenti stabili più leggeri.

Nel marzo 2024 vengono scoperti due materiali {{chiarire|in grado di controllare l'interazione tra materia e [[luce]]}}: [[disolfuro di renio]] e [[diseleniuro di renio]].<ref>{{Cita web|url=https://www.ansa.it/canale_scienza/notizie/fisica_matematica/2024/03/11/due-nuovi-materiali-capaci-di-controllare-la-luce-_7e45a32d-f761-4c89-8ca4-8a24606ef7cc.html|titolo=''Due nuovi materiali capaci di controllare la luce''|data=11 marzo 2024}}</ref>

=== Proprietà ===

[[File:CGKilogram.jpg|thumb|[[Massa (fisica)|Massa]] fisica]]

Secondo la visione classica ed intuitiva della materia, tutti gli oggetti [[solido|solidi]] occupano uno [[spazio (fisica)|spazio]] che non può essere occupato contemporaneamente da un altro oggetto. Ciò significa che la materia occupa uno spazio che non può contemporaneamente essere occupato da un'altra materia, ovvero la materia è ''impenetrabile'' (principio dell'impenetrabilità). <!-- e i gas non sono materia, allora? sigh... da riscrivere anche questo... -->

Se prendiamo un pezzo di [[gomma]], lo misuriamo con una bilancia e otteniamo, ad esempio, una massa di 3 [[grammo|grammi]], dividendo la gomma in tanti piccoli pezzi e pesando tali pezzi otterremo sempre 3 grammi. La quantità non è cambiata, in accordo con la [[legge della conservazione della massa (fisica)|legge di conservazione della massa]]. Secondo questa ipotesi si può quindi affermare che "''la materia ha una massa che non cambia anche se variano la sua forma e il suo volume''". Su queste basi in passato si è così costruita la definizione secondo cui "''la materia è tutto ciò che occupa uno spazio e ha una massa''".

La [[massa inerziale]] di una certa quantità di materia, ad esempio di un dato oggetto, che una [[bilancia]] misura per confronto con un'altra massa, rimane invariata in ogni angolo dell'universo, ed è quindi considerata una proprietà intrinseca della materia. L'unità con cui si misura la massa inerziale è il [[chilogrammo]].

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[[File:400-bohus-granitt.png|thumb|upright=1.1|Il [[granito]] non ha una composizione globale uniforme.]]

La ''materia omogenea'' ha composizione e proprietà uniformi. Può essere una mistura, come il [[vetro]], un composto chimico come l'acqua, o elementare, come [[rame]] puro. La ''materia eterogenea'', come per esempio il [[granito]], non ha una composizione definita.

È di fondamentale importanza nella determinazione delle proprietà macroscopiche della materia la conoscenza delle strutture a livello microscopico (ad esempio l'esatta configurazione delle [[molecole]] e dei [[cristalli]]), la conoscenza delle interazioni e delle forze che agiscono a livello fondamentale unendo fra loro i costituenti fondamentali (come le [[Forza di London|forze di London]] e i [[Forza di van der Waals|legami di van der Waals]]) e la determinazione del comportamento delle singole macrostrutture quando interagiscono fra loro (ad esempio le relazioni solvente - soluto o quelle che sussistono fra i vari microcristalli nelle rocce come il granito).

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! nome !! simbolo !! spin !! carica elettrica<br />([[Carica elementare|e]]) !! massa<br />([[Elettronvolt|MeV]]/''[[Velocità della luce|c]]''²) !! massa comparabile a !! antiparticelle !! simbolo antiparticelle

|-

| colspan="7" | leptoni carichi<ref>{{Cita pubblicazione|autore=C. Amsler ''et al.'' ([[ParParticle Data Group]])

ticle Data Group]])

|anno=2008

|titolo=Review of Particle Physics: Leptons

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{{Vedi anche|Quark (particella)}}

I [[Quark (particella)|quark]] sono particelle a spin semi-intero e quindi sono dei fermioni. Hanno ununa carica elettrica uguale a meno un terzo di quella dell'[[elettrone]], per quelli di tipo ''down'', e uguale invece a due terzi per quelli di tipo ''up''. I quark hanno anche una [[carica di colore]], che è l'equivalente della carica elettrica per le [[Interazione debole|interazioni deboli]]. I quark sono anche particelle massive e sono quindi soggetti alla forza di gravità.

{| class="wikitable" style="margin: 0 auto; text-align:center"

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== Fasi della materia ==

{{vedi anche|Stato della materia}}

[[File:Liquid nitrogen dsc04496.jpg|thumb|upright=1.1| Un recipiente di metallo solido contenente [[azoto liquido]], che evapora lentamente nel gas [[azoto]]. L'[[evaporazione]] è la [[transizione di fase]] dallo stato liquido a quello aeriforme.|300x300px]]

[[File:2006-01-28_Drop-impact.jpg|thumb|Effetto di una goccia lasciata cadere in un [[Liquidoliquido]]|300x300px]]

[[File:Kinetic_theory_of_gases.svg|thumb|Schematizzazione delle molecole di un [[Gasgas]]|300x300px]]

In risposta a differenti condizioni termodinamiche come la [[temperatura]] e la [[pressione]], la materia si presenta in diverse "[[fase (chimica)|fasi]]", le più familiari (perché sperimentate quotidianamente) delle quali sono: ''solida'', ''liquida'' e ''aeriforme''. Altre fasi includono il [[plasma (fisica)|plasma]], il [[superfluido]] e il [[condensato di Bose-Einstein]]. Il processo per cui la materia passa da una fase ad un'altra, viene definito [[transizione di fase]], un fenomeno studiato principalmente dalla [[termodinamica]] e dalla [[meccanica statistica]].

Le fasi sono a volte chiamate stati della materia, ma questo termine può creare confusione con gli stati termodinamici. Per esempio due gas mantenuti a pressioni differenti hanno diversi stati termodinamici, ma lo stesso "stato" di materia.

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== Forme di materia ==

=== Materia chimica ===

La ''materia chimica'' è la parte dell'universo composta da atomi chimici. Questa parte dell'universo non include la materia e l'energia oscura, buchi neri, stelle a neutroni e varie forme di materia degeneratadegenere, che si trova ad esempio in corpi celesti come la [[nana bianca]]. Dati recenti del Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), suggeriscono che solo il 4% della massa totale dell'intero universo visibile ai nostri telescopi sia costituita da materia chimica. Circa il 22% è materia oscura, il restante 74% è energia oscura.

La materia che osserviamo è generalmente nella forma di [[composto chimico|composti chimici]], di [[polimeri]], [[lega (metallurgia)|leghe]] o [[elemento chimico|elementi]] puri.

=== Antimateria ===

{{Vedi anche|Antimateria}}[[File:PositronDiscovery.jpg|thumb|FotoPrima delfoto primodella traccia della [[traiettoria]] di un [[positrone]] lasciata in [[camera a nebbia]]|300x300px]]

Nelle particelle fisiche e nella [[chimica quantistica]], l'[[antimateria]] è composta dalle rispettive antiparticelle che costituiscono la normale materia. Se una particella e la sua antiparticella si incontrano tra loro, le due annichiliscono; si convertono cioè in altre particelle o più spesso in radiazione elettromagnetica di uguale energia in accordo con l'equazione di Einstein <math>E = mc^2</math>.

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=== Materia oscura ===

{{Vedi anche|Materia oscura}}[[File:Mappa_3D_materia_oscura.jpg|thumb|Mappa tridimensionale della [[materia oscura]] nella porzione di universo rilevato dal [[Telescopio spaziale Hubble|telescopio Hubble]]|300x300px]]

[[File:Mappa_3D_materia_oscura.jpg|thumb|]]

In cosmologia, effetti a larga scala sembrano indicare la presenza di un incredibile ammontare di [[materia oscura]] che non è associata alla radiazione elettromagnetica. La teoria del [[Big Bang]] richiede che questa materia abbia energia e massa, ma non è composta né da fermioni elementari né da [[bosone (fisica)|bosoni]]. È composta invece da particelle che non sono mai state osservate in laboratorio (forse particelle [[Supersimmetria|supersimmetriche]]).

=== Materia esotica ===

{{Vedi anche|Materia esotica}}

La materia esotica è un ipotetico concetto di particelle fisiche. Si riferisce a ogni materia che viola una o più delle classiche condizioni e non è costituita da particelle barioniche note.

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== Collegamenti esterni ==

* {{Collegamenti esterni}}

* {{Treccani|materia}}

{{Controllo di autorità}}