Materia (fisica): differenze tra le versioni

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[[File:Helium_atom_QM.svg|thumb|Atomo di [[elio]]]]

[[File:HAtomOrbitals.png|thumb|[[Orbitali atomici]]]]

In [[fisica classica]], non considerando la [[relatività generale]] e la [[meccanica quantistica]], 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]].

Viceversa in [[fisica moderna]] la ''materia'' non è un concetto fondamentale poiché come è dimostrato nella [[Relatività]] la materia può essere ricondotta ad energia (e viceversa) , e come è dimostrato nella [[Meccanica Quantistica]] la materia non esiste data la sua natura di ''particella-onda di probabilità''; di fatto l'anticaQuesta definizione di materia, sufficiente per la ''fisica macroscopica'', oggetto di studio della [[meccanica (fisica)|meccanica]] e della [[termodinamica]], non si adatta bene alle moderne teorie del novecento, più volte dimostrate da oltre un secolo, nel campo sia macroscopico microscopico, che microscopico proprie della [[fisica atomica]] e [[fisica delle particelle|subatomica]]. Ad esempio secondo Einstein la materia è una pura espressione dell'energia, e 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; secondo la ''fisica attuale standard'' oltretutto le particelle hanno una natura ignota per quanto riguarda la posizione nello spazio, e la stessa esistenza di particelle al di fuori della probabilità, rendono decontestualizzata qualunque asserzione classica del passato su massa e materia: non ha senso definire una posizione nello spazio dato che non è una proprietà delle particelle avere una posizione, e non ha senso definire una massa dato che si tratta di energia .

In altriquesti ambiti, per standardizzare un modello di studio pratico, in modo che si possa inquadrare la materia in un chiaro schema scientifico, si può invece adottare la definizione che siala 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.

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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 |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.

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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 ===

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

[[File:Kinetic_theory_of_gases.svg|thumb|Schematizzazione delle molecole di un [[gas]]|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.

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== Collegamenti esterni ==

* {{Collegamenti esterni}}

* {{Treccani|materia}}

{{Controllo di autorità}}