Materia

Materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio, posee una cierta cantidad de energía, y está sujeto a cambios en el tiempo y a interacciones con aparatos de medida. En física yfilosofía, materia es el término para referirse a los constituyentes de la realidad material objetiva, entendiendo por objetiva que pueda ser percibida de la misma forma por diversos sujetos. Se considera que es lo que forma la parte sensible de los objetos perceptibles o detectables por medios físicos. Es decir es todo aquello que ocupa un sitio en el espacio, se puede tocar, se puede sentir, se puede medir, etc.

 

Noción clásica de sustancia

 

Una forma común de identificar esta “sustancia” es mediante sus propiedades físicas; así una definición común de materia es “todo aquello que tiene masa y ocupa un volumen”. Sin embargo, esta definición tiene que ser revisada a la luz de la mecánica cuántica, donde el concepto "tener masa ", y “ocupar espacio" no está tan bien definido como en la vida diaria. Un punto de vista más amplio es que los cuerpos están formados de varias sustancias, y las propiedades de la materia (entre ellas, la masa y el volumen) están determinadas no sólo por las sustancias mismas, sino por como interactúan entre ellos. En otras palabras, la materia está formada por la interacción de unos "componentes básicos", es la llamada teoría atómica de la materia.

El concepto de materia ha sido refinado muchas veces a lo largo de la historia, sobre la base de la mejora del conocimiento acerca de cuáles son los componentes básicos de la materia, y como interactúan entre ellos. Por ejemplo, a principios del siglo XVIII, Isaac Newton consideraba la materia como " sólida, con masa, dura, impenetrable, y con partículas móviles ", que eran "incluso tan duras que nunca podrían romperse en pedazos".

Las propiedades "primarias" de la materia estaban de acuerdo con la descripción matemática, a diferencia de las cualidades "secundarias" como el color o el gusto. En el siglo XIX, tras el desarrollo de la tabla periódica, y la teoría atómica, los átomos fueron vistos como uno de los componentes fundamentales de la materia; a su vez, los átomos forman moléculas y compuestos.

 

Más allá de los átomos

 

A finales del siglo XIX con el descubrimiento del electrón, y comienzos del siglo XX, con el descubrimiento del núcleo atómico y el nacimiento de la física de partículas, la materia se entendió como formada por electronesprotones y neutrones, interactuando entre ellos para formar los átomos. Hoy en día, conocemos que incluso los protones y neutrones no son indivisibles, pudiendo ser divididos 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 son tomados como los componentes fundamentales de la materia.

 

Estos quarks y leptones interactúan mediante cuatro interacciones fundamentalesgravedadelectromagnetismointeracciones débiles, e interacciones fuertes. El Modelo estándar es actualmente la mejor explicación de toda la física, pero a pesar de las décadas de esfuerzos, la gravedad aún no puede ser considerada en el nivel cuántico; sólo es descrito por la física clásica (véase gravedad cuántica y gravitón). Las interacciones entre quarks y leptones son el resultado de un intercambio de partículas que transportan fuerza (como fotones) entre los quarks y los leptones. Las partículas que transportan fuerza no son componentes básicos de la materia. En consecuencia, masa y energía no siempre pueden relacionarse a materia. Por ejemplo, los portadores de la fuerza eléctrica (fotones) poseen la energía (según la constante de Planck) y los portadores de la fuerza débil (los bosones W y Z) son masivos, pero ninguno es considerado tampoco como materia. Sin embargo, aunque estas partículas no son consideradas como materia, contribuyen realmente a la masa total de los átomos o de las partículas subatómicas.

 

La materia se dice comúnmente que existe en cuatro estados (o fases): sólidolíquidogas y plasma. Sin embargo, los avances en la técnica experimental han comprendido otras fases, antes sólo teóricas, como el condensado de Bose-Einstein y los condensados fermiónicos. Un punto de vista de partícula elemental acerca de la materia también conduce a nuevas fases de la materia, como el plasma de quarks-gluones. En física y en química, la materia exhibe tanto propiedades ondulatorias como corpusculares, es la llamada dualidad onda-partícula.

 

Cosmología

 

En el ámbito de la cosmología, extensiones del término “materia” son invocadas para incluir a la materia oscura y la energía oscura, conceptos introducidos para explicar algunos fenómenos aislados del universo observable, como las curva de rotación galáctica. Estas formas exóticas materia no se refieren a la materia como "componentes básicos", sino más bien a las formas actualmente poco entendidas de masa y energía.

 

Definición basada en átomos y moléculas

 

Una definición "de materia" basada sobre su "estructura" física y química es: " la materia está formada de átomos y moléculas". Esta definición es compatible con la definición BIPM anterior de " cantidad de sustancia ", pero es más específica sobre los componentes de materia (e indiferente sobre la unidad "mol").

 

Como un ejemplo de materia según esta definición podemos señalar: la información genética es transportada por una molécula larga llamada ADN, que es copiado y heredado a través de generaciones.

El ADN es materia conforme a esta definición ya que está formada por átomos, y no en virtud de tener masa o la ocupación del espacio. Esta definición puede ser ampliada para incluir átomos cargados y moléculas, así como para incluir el plasma, (gases de iones) y el electrólito (soluciones iónicas), que obviamente no se incluyen en la definición de moléculas y los átomos. Alternativamente, también se puede adoptar la "definición basada en protones, neutrones y electrones" siguiente.

 

Definición basada en protones, neutrones y electrones

 

Una definición "de materia" a menor escala que la definición de átomos y moléculas: "la materia está formada de aquello de lo que los átomos y las moléculas están hechos", significando con esto algo que está hecho de protonesneutrones y electrones.

 

Esta definición va más allá de átomos y moléculas, sin embargo, para incluir sustancias hechas de estos componentes básicos que "no" son simplemente átomos o moléculas, por ejemplo la materia de las enanas blancas - típicamente, núcleos de carbono y de oxígeno en un mar de electrones degenerados. En un nivel microscópico, "las partículas" constituyentes de la materia tales como protones, neutrones y electrones obedecen las leyes de mecánica cuántica y exhiben un comportamiento dual onda-partícula. A un nivel aún más profundo, los protones y neutrones están formados por quarks y los campos de fuerza (gluones) que une.

 

Definición basada en quarks y leptones

 

Como se puede apreciar en la anterior discusión, muchas de las primeras definiciones de lo que se llamó "materia ordinaria" estaban basado sobre su estructura "o componentes básicos". En la escala de las partículas elementales, una definición que sigue esta tradición puede enunciarse como que: " la materia ordinaria es todo que es formado de partículas elementales fermiones, a saber quarks y leptones. La conexión entre estas formulaciones es como sigue.

 

Los leptons (el más famoso es el electrón), y los quarks (que forman los bariones, como son los protones y los neutrones) se combinan para formar átomos, que a su vez forman moléculas. Dado que los átomos y las moléculas se dice que son materia, es natural una frase para la definición como: "la materia ordinaria es algo que está formado de lo mismo de lo que están hechos los átomos y las moléculas". (Sin embargo, hay que señalar que también se puede hacer con estos mismo componentes básicos otra materia que no son los átomos o moléculas.) Así, dado que los electrones son leptones y los protones y neutrones están formados por quarks, esta definición, a su vez, conduce a la definición de materia como formada de "quarks y leptones", que son los dos tipos elementales de fermiones. Según Carithers y Grannis: "La materia ordinaria está formada enteramente de partículas de la primera generación, a saber los quarks "u" [up, encima] y "d" [down, abajo], más el electrón y su neutrino. (Por "de la primera generación" se entiende quarks estables y leptones. "Generaciones superiores” decaen en partículas "de la primera generación") Esta definición de materia ordinaria es más sutil de lo que en principio parece. Hay dos grupos de partículas. Todas las partículas que constituyen la materia, como electrones, protones y neutrinos, son fermiones. Todos los portadores de fuerza son bosones. Ver la tabla de la figura. Los bosones W y Z que medían la fuerza débil no están formados de quarks y leptones, y así, no son materia ordinaria, pero realmente tienen masa. En otras palabras, la masa no es algo exclusivo de la materia ordinaria.

 

La definición de materia ordinaria basada en los quark y leptones ordinaria, sin embargo, no solamente identifica los componentes básicos elementales de la materia, sino que también incluye los agregados formados con estos constituyentes (átomos y moléculas, por ejemplo). Tales agregados contienen una energía de interacción que mantiene a los componentes unidos, y puede constituir la mayor parte de la masa del agregado. Por ejemplo, en su mayor parte, la masa de un átomo es simplemente la suma de las masas de sus protones, neutrones y electrones constituyentes. Sin embargo, a un nivel más profundo, los protones y neutrones están formados de quarks unidos por campos de gluones. (Ver QCD). Básicamente, la mayor parte de la masa de hadrones es la energía de interacción de los quarks enlazados. Así, la mayor parte de que se compone "la masa" de la materia ordinaria es la energía de interacción interquark. Por ejemplo, "Las fuerzas gluónicas que enlazan tres quarks (de masa total 12.5 MeV) para formar un nucleón contribuyen a la mayor parte de su masa de 938 MeV. De manera similar, el plasma de quark-gluones, se considera un estado de materia, y obviamente incluye los gluones. Lo esencial aquí es: en un complejo como un átomo o un hadrón, la materia en el complejo no es generalmente la fuente más significativa de la masa parteneciente al complejo.

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© Anda Elena Tudorache y Jorge Muñoz Sánchez