miniatura|O hidrogênio no estado de plasma é a forma mais abundante de matéria comum no universo.
Nas ciências físicas, matéria é tudo o que tem massa e ocupa espaço, ou seja, tem volume. Os objetos que podemos tocar são formados por átomos, constituídos por partículas subatômicas que interagem entre si. No uso cotidiano e científico, o termo matéria geralmente abrange os átomos e tudo o que é feito deles, além de partículas ou combinações de partículas que se comportam como se tivessem massa de repouso e volume. Essa definição exclui partículas sem massa, como os fótons, e outros fenômenos energéticos ou ondulatórios, como a luz e o calor. A matéria existe em diferentes estados, também chamados de fases. Entre eles estão os estados sólido, líquido e gasoso, familiares no cotidiano. A água, por exemplo, existe como gelo, água líquida e vapor. Há também outros estados, como o plasma, os condensados de Bose-Einstein, os condensados fermiônicos e o plasma de quarks e glúons.
Em geral, podemos imaginar um átomo como um núcleo de prótons e nêutrons, cercado por uma "nuvem" de elétrons em órbita que "ocupam espaço". Essa imagem é apenas parcialmente correta, pois as partículas subatômicas e suas propriedades obedecem à mecânica quântica. Elas não se comportam como os objetos que vemos ao nosso redor. Podem agir como ondas ou partículas e não têm tamanhos ou posições bem definidos. No Modelo Padrão da física de partículas, matéria não é um conceito fundamental, pois os constituintes elementares dos átomos são entidades quânticas sem um "tamanho" ou "volume" intrínseco no sentido cotidiano dessas palavras. Devido ao princípio de exclusão de Pauli e a outras interações fundamentais, certas partículas pontuais, os férmions, entre elas os quarks e os léptons, assim como muitas partículas compostas e átomos, mantêm distância de outras partículas nas condições usuais. É daí que vem a propriedade que percebemos como a ocupação do espaço pela matéria.
A natureza da matéria foi uma questão recorrente no desenvolvimento das ciências naturais. A ideia de que a matéria é formada por unidades separadas, chamada de teoria corpuscular da matéria, surgiu na Grécia Antiga e na Índia antiga. Entre os primeiros filósofos a propô-la estão o indiano Kanada, por volta do século VI a.C., e os gregos pré-socráticos Leucipo, por volta de 490 a.C., e Demócrito, que viveu aproximadamente entre 470 e 380 a.C.
Conceitos relacionados
Comparação com a massa Matéria é um termo geral para qualquer substância física. Sua definição pode mudar de uma área da ciência para outra, por vezes de maneira incompatível. Algumas definições mantêm um uso antigo, de uma época em que não havia razão para distinguir a massa da simples quantidade de matéria. A massa, por sua vez, é uma propriedade extensiva bem definida da matéria e de outras substâncias ou sistemas. A física distingue conceitos como massa de repouso, massa inercial e massa relativística.
Na física, a matéria às vezes é equiparada às partículas que têm massa de repouso, como os quarks e os léptons, e que por isso não podem viajar à velocidade da luz. Na física e na química, porém, a matéria apresenta propriedades de onda e de partícula, comportamento chamado de dualidade onda-partícula.
Relação com as substâncias químicas
miniatura|O vapor e a água líquida são duas formas da mesma substância química pura, a água. miniatura|Esquema de uma reação de substituição nucleofílica unimolecular, ou SN1. Na química, uma substância química é uma forma de matéria com composição química constante e propriedades características. Uma substância pode ser formada por um único elemento químico ou ser um composto químico. Quando duas ou mais substâncias se combinam sem reagir, podem formar uma mistura. Se uma mistura passa por um processo de separação que isola uma substância até o grau desejado, essa substância é considerada quimicamente pura.
As substâncias químicas podem existir em diferentes estados físicos ou fases, como sólidos, líquidos, gases ou plasmas, sem alteração de sua composição química. As mudanças de fase ocorrem em resposta a alterações de temperatura ou pressão. Algumas substâncias podem se combinar ou se transformar em outras por meio de reações químicas. As que não têm essa capacidade são chamadas de inertes.
A água pura é um exemplo de substância química. Sua composição é constante, com dois átomos de hidrogênio ligados a um átomo de oxigênio, formando H2O. A proporção entre os átomos de hidrogênio e oxigênio é sempre de 2:1 em cada molécula de água. A água pura ferve a cerca de 100 °C sob pressão atmosférica padrão, aproximadamente 101,3 kPa. Outros exemplos de substâncias químicas são o diamante, uma forma do elemento carbono, o sal de cozinha, NaCl, um composto iônico, e o açúcar refinado, C12H22O11, um composto orgânico.
Definição
Baseada nos átomos Uma definição que leva em conta a estrutura física e química da matéria é que a matéria é feita de átomos. Essa matéria atômica também é chamada de matéria comum. As moléculas de ácido desoxirribonucleico, ou DNA, por exemplo, são matéria nessa definição porque são feitas de átomos. A definição pode ser ampliada para abranger átomos e moléculas com carga elétrica. Assim, inclui os plasmas, gases de íons, e os eletrólitos, soluções iônicas, cuja inclusão não é evidente em uma definição restrita aos átomos. Outra possibilidade é adotar a definição baseada em prótons, nêutrons e elétrons.
Baseada nos prótons, nêutrons e elétrons Em uma escala menor que a dos átomos e das moléculas, pode-se definir a matéria como aquilo de que os átomos e as moléculas são feitos. Isso abrange tudo o que é formado por prótons com carga positiva, nêutrons eletricamente neutros e elétrons com carga negativa. Essa definição também abrange formas de matéria feitas desses constituintes que não são simplesmente átomos ou moléculas. É o caso dos feixes de elétrons de uma antiga televisão de tubo de raios catódicos ou da matéria de uma anã branca, em geral núcleos de carbono e oxigênio em um mar de elétrons degenerados. Na escala microscópica, as "partículas" constituintes da matéria, como prótons, nêutrons e elétrons, obedecem às leis da mecânica quântica e apresentam dualidade onda-partícula. Em uma escala ainda menor, prótons e nêutrons são formados por quarks e pelos campos de força de glúons que os mantêm unidos, o que leva à definição seguinte.
Baseada nos quarks e léptons miniatura|upright=1.5|Na definição baseada em quarks e léptons, os quarks, em roxo, os léptons, em verde, e as partículas compostas formadas por eles são matéria. Os bósons de gauge, em vermelho, ficam fora dessa definição. Contudo, a energia das interações nas partículas compostas, como a dos glúons nos prótons e nêutrons, participa da massa da matéria comum.
Muitas das primeiras definições de "matéria comum" se baseavam em sua estrutura ou em seus constituintes. Na escala das partículas elementares, essa ideia pode ser expressa como "matéria comum é tudo o que é composto de quarks e léptons" ou "matéria comum é tudo o que é composto de férmions elementares, com exceção dos antiquarks e antiléptons". As definições de matéria dependem da escala de comprimento adotada. Na escala atômica, seus constituintes são átomos. Em outras escalas, podem ser hádrons ou léptons e quarks.
Os léptons, entre os quais o elétron é o mais familiar, e os quarks, que formam bárions como os prótons e os nêutrons, combinam-se para formar átomos, que por sua vez formam moléculas. Como os átomos e as moléculas são matéria, a definição pode ser formulada como "matéria comum é tudo o que é feito dos mesmos constituintes dos átomos e das moléculas". Esses constituintes também podem formar matéria que não consiste em átomos ou moléculas. Como os elétrons são léptons e os prótons e nêutrons são feitos de quarks, chega-se à definição de matéria em termos de "quarks e léptons". Eles são dois dos quatro tipos de férmions elementares. Os outros dois são os antiquarks e os antiléptons, que podem ser classificados como antimatéria. Carithers e Grannis escreveram que "a matéria comum é composta inteiramente de partículas da primeira geração, ou seja, os quarks up e down, além do elétron e de seu neutrino". As partículas das gerações superiores decaem rapidamente em partículas da primeira geração e, por isso, não são encontradas com frequência.
Essa definição de matéria comum exige alguns cuidados. Todas as partículas que a constituem, os léptons e os quarks, são férmions elementares, enquanto todas as partículas mediadoras de forças são bósons elementares. Os bósons W e Z, que mediam a interação fraca, não são feitos de quarks ou léptons e, nessa definição, não são matéria comum, embora tenham massa.Na compilação de 2008, a massa do bóson W era de 80,398 GeV/c2. Ver a figura 1 de A massa, portanto, não é exclusiva da matéria comum.
A definição baseada em quarks e léptons também abrange as estruturas formadas por esses constituintes, como átomos e moléculas. Essas estruturas contêm uma energia de interação que mantém seus constituintes unidos e que pode responder pela maior parte de sua massa. A massa de um átomo, por exemplo, é aproximadamente a soma das massas de seus prótons, nêutrons e elétrons. Os prótons e nêutrons, porém, são formados por quarks unidos por campos de glúons, estudados pela cromodinâmica quântica. Esses campos respondem por uma parcela expressiva da massa dos hádrons. A maior parte da massa da matéria comum vem da energia dos quarks e dos glúons no interior dos prótons e nêutrons. Nas estimativas usadas em 2004 e 2008, a soma das massas dos três quarks de um núcleon era de aproximadamente 12,5 MeV/c2, um valor pequeno diante da massa do núcleon, de cerca de 938 MeV/c2. Assim, a maior parte da massa dos objetos cotidianos vem da energia de interação de seus constituintes elementares.
O Modelo Padrão agrupa as partículas de matéria em três gerações, cada uma com dois quarks e dois léptons. A primeira reúne os quarks up e down, o elétron e o neutrino do elétron. A segunda reúne os quarks charm e strange, o múon e o neutrino do múon. A terceira contém os quarks top e bottom, o tau e o neutrino do tau. Para Yuval Ne'eman e Yoram Kirsh, a explicação mais natural para essa divisão seria que os quarks e léptons das gerações superiores fossem estados excitados dos da primeira geração. Se essa hipótese fosse confirmada, os quarks e léptons seriam partículas compostas, e não elementares.
A definição baseada em quarks e léptons também permite formular leis de "conservação da quantidade líquida de matéria", discutidas adiante. Outra possibilidade é retomar a definição por massa, volume e espaço, na qual a antimatéria passa a ser uma subclasse da matéria.
Baseada nos férmions elementares, na massa e no volume Uma definição usual de matéria é "tudo o que tem massa e volume", isto é, que ocupa espaço físico. Um carro, por exemplo, é feito de matéria porque tem massa e ocupa espaço.
A observação de que a matéria ocupa espaço vem da Antiguidade. A explicação para isso é mais recente e envolve o fenômeno expresso pelo princípio de exclusão de Pauli, que se aplica aos férmions. As anãs brancas e as estrelas de nêutrons, discutidas adiante, são dois exemplos em que esse princípio explica a ocupação do espaço pela matéria.