Materia (fisica)

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In fisica classica, con materia genericamente si indica qualsiasi cosa che abbia massa e occupi spazio; si contrappone ai concetti di energia e di campo.

Questa definizione, sufficiente per la fisica macroscopica (meccanica, termodinamica etc), non è più adatta per la moderna fisica atomica e subatomica, per cui lo spazio occupato da un oggetto è prevalentemente vuoto, e l'energia è equivalente alla massa (E=mc²). Si può invece adottare la definizione che la materia è costituita da una certa classe delle più piccole, fondamentali entità fisicamente rilevabili: queste particelle sono dette fermioni e seguono il principio di esclusione di Pauli, che stabilisce che non più di due fermioni possono esistere nello stesso stato quantistico. A causa di questo principio, le particelle che compongono la materia non sono tutte nello stato di energia minima e quindi è possibile creare strutture stabili di fermioni. Le particelle della classe complementare, i bosoni, costituiscono invece i campi.

In chimica, la materia chimica si può definire come ciò che è composto di atomi, in contrapposizione alle diverse forme di energia ed escludendo forme di materia degenere quali nane bianche, stelle di neutroni e buchi neri. La materia che osserviamo è generalmente nella forma di composti chimici, di polimeri, leghe o elementi puri.

[modifica] Fasi della materia

In risposta a differenti condizioni termodinamiche come la temperatura e la pressione, la materia si presenta in diverse "fasi", le più familiari (perché sperimentate quotidianamente) delle quali sono: solida, liquida e gassosa. Altre fasi includono il 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.

[modifica] Proprietà della materia

Secondo la visione classica ed intuitiva della materia, tutti gli oggetti solidi occupano uno 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).

Se prendiamo un pezzo di gomma, lo misuriamo con una bilancia e otteniamo, ad esempio, una massa di 3 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 di conservazione della massa. Quindi: "la materia ha una massa che non cambia anche se variano la sua forma e il suo volume."

Si può così costruire la definizione "la materia è tutto ciò che occupa uno spazio e ha una sua 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.

Viceversa, il peso è una misura della forza di gravità con cui la Terra attira verso di se un corpo avente una massa gravitazionale; come tale, il peso di un dato corpo cambia a seconda del luogo in cui lo misuriamo - in diversi punti della Terra, nello spazio cosmico o in un altro pianeta. Il peso quindi non è una proprietà intrinseca della materia. Come altre forze statiche, il peso può essere misurato con un dinamometro.

Massa inerziale e massa gravitazionale sono due concetti distinti nella meccanica classica, ma sono state sempre trovate uguali sperimentalmente. È solo con l'avvento della relatività generale che abbiamo una teoria che interpreta la loro identità.

La densità superficiale e volumica di materia nel mondo subatomico è minore che nell'universo macroscopico. Nel mondo degli atomi le masse occupano in generale volumi maggiori (minore densità di volume) e si trovano a distanze maggiori (più bassa densità di superficie) di quelle che separano pianeti, stelle, galassie (v. [1]). Fra i costituenti della materia prevale il vuoto.