Matéria

 Nota: Para Matéria, veja Matéria (desambiguação).
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

O vapor e a água líquida são duas formas da mesma substância química pura, a água.
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

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".

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. 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.

Nessa abordagem, matéria é tudo o que é composto de férmions elementares. Os antiquarks, como os que formam o antipróton, e os antiléptons, como o pósitron, são as antipartículas dos quarks e dos léptons. Embora não sejam encontrados nas condições usuais do cotidiano, também são férmions elementares e têm essencialmente as mesmas propriedades de seus correspondentes. O princípio de exclusão de Pauli também se aplica a eles e impede que duas partículas idênticas ocupem o mesmo estado quântico, o que participa da propriedade de "ocupar espaço". Essa definição abrange tudo o que é feito dessas partículas de antimatéria, além dos quarks e léptons comuns. Também inclui os mésons, partículas instáveis formadas por um quark e um antiquark.

Na relatividade geral e na cosmologia

Na teoria da relatividade, a massa não é uma grandeza aditiva. Não se pode simplesmente somar as massas de repouso das partículas de um sistema para obter sua massa de repouso total. Nessa teoria, uma abordagem mais geral usa o tensor de energia-momento para quantificar o conteúdo material, em vez da soma das massas de repouso. Esse tensor permite obter a massa de repouso do sistema como um todo. A matéria pode, assim, abranger tudo o que participa da energia e do momento de um sistema, ou seja, tudo o que não é puramente gravidade. Esse uso é comum nas áreas que lidam com a relatividade geral, como a cosmologia. Nessa definição, a luz e outras partículas e campos sem massa também são matéria.

Estrutura

Na física de partículas, os férmions são partículas que obedecem à estatística de Fermi-Dirac. Podem ser elementares, como o elétron, ou compostos, como o próton e o nêutron. O Modelo Padrão distingue dois tipos de férmions elementares, os quarks e os léptons.

Quarks

Os quarks são partículas com massa e spin 1/2, o que os torna férmions. Sua carga elétrica é de −1/3 da carga elementar e, no caso dos quarks do tipo down, ou de +2/3 e, no caso dos do tipo up. Para comparação, um elétron tem carga de −1 e. Os quarks também têm carga de cor, equivalente à carga elétrica na interação forte. Eles participam de processos de decaimento radioativo e estão sujeitos à interação fraca.

Propriedades dos quarks, valores da compilação de 2008
NomeSímboloSpinCarga elétrica
em unidades de e		Massa
em MeV/c2		Massa comparável à deAntipartículaSímbolo da antipartícula
Quarks do tipo up
upu1/2+2/31,5 a 3,3aproximadamente 5 elétronsantiupu¯
charmc1/2+2/31.160 a 1.340aproximadamente 1 prótonanticharmc¯
topt1/2+2/3169.100 a 173.300aproximadamente 180 prótons ou 1 átomo de tungstênioantitopt¯
Quarks do tipo down
downd1/2−1/33,5 a 6,0aproximadamente 10 elétronsantidownd¯
stranges1/2−1/370 a 130aproximadamente 200 elétronsantistranges¯
bottomb1/2−1/34.130 a 4.370aproximadamente 5 prótonsantibottomb¯

Matéria bariônica

Estrutura de quarks de um próton, com dois quarks up e um quark down.

Os bárions são férmions que participam da interação forte e obedecem à estatística de Fermi-Dirac. Entre eles estão os prótons e os nêutrons dos núcleos atômicos, além de muitos bárions instáveis. O termo bárion geralmente se refere a partículas formadas por três quarks. Há também bárions exóticos formados por quatro quarks e um antiquark, chamados de pentaquarks, cuja descoberta foi anunciada pelo experimento LHCb em 2015.

A matéria bariônica é a parcela da matéria do universo formada por bárions e abrange a matéria de todos os átomos. Ela inclui a matéria das anãs brancas e das estrelas de nêutrons. Buracos negros de origem estelar também se formam a partir de matéria comum. A matéria bariônica não se confunde com a energia escura nem com a componente não bariônica da matéria escura. As observações da radiação de micro-ondas pelas sondas Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, ou WMAP, e Planck permitiram estimar essas parcelas do conteúdo do universo observável, a região da qual a luz pode chegar até nós e ser captada por telescópios. Os resultados da Planck divulgados em 2013 atribuíam cerca de 4,9% da massa-energia à matéria comum, 26,8% à matéria escura e 68,3% à energia escura.

A maior parte da matéria comum do universo não é visível. Em estimativas de 1992, as estrelas e o gás visíveis em galáxias e aglomerados respondiam por menos de 10% da parcela da densidade de massa-energia do universo atribuída à matéria comum.

Matéria hadrônica

O termo matéria hadrônica pode se referir à matéria formada por hádrons, como os bárions e os mésons, ou à matéria de quarks, uma generalização da matéria dos núcleos atômicos. Abrange a matéria da cromodinâmica quântica a temperaturas relativamente baixas. Inclui a matéria degenerada e a matéria produzida em colisões de núcleos pesados a altas energias.

Matéria degenerada

Na física, matéria degenerada é aquela em que o comportamento dos férmions depende sobretudo do princípio de exclusão de Pauli. Esse regime ocorre quando a temperatura é pequena em comparação com a temperatura de Fermi, o que pode acontecer mesmo no interior quente de uma estrela. O princípio de exclusão de Pauli impede que dois férmions idênticos ocupem o mesmo estado quântico. Para férmions de spin 1/2, cada estado espacial pode acomodar duas partículas, uma com spin para cima e outra com spin para baixo. À temperatura de zero absoluto, os férmions preenchem os níveis de energia necessários para acomodar todas as partículas disponíveis. Quando há muitos férmions, a energia cinética máxima, chamada de energia de Fermi, e a pressão do gás podem ser muito elevadas. Essas grandezas dependem da concentração de férmions, sem a dependência da temperatura que ocorre nos estados usuais da matéria.

A matéria degenerada se forma durante a evolução estelar, inclusive em estrelas de baixa massa que dão origem a anãs brancas. A demonstração de Subrahmanyan Chandrasekhar de que o princípio de exclusão impõe uma massa máxima às anãs brancas mudou a teoria da evolução estelar.

A matéria degenerada é encontrada em estrelas de nêutrons e anãs brancas.

Matéria estranha

A matéria estranha é uma forma particular de matéria de quarks, geralmente concebida como um líquido de quarks up, down e strange. Difere da matéria nuclear, um líquido de nêutrons e prótons, que por sua vez são feitos de quarks up e down. Também difere da matéria de quarks sem estranheza, cujo líquido contém apenas quarks up e down. Em densidades suficientemente altas, espera-se que a matéria estranha apresente supercondutividade de cor. Uma hipótese é que ela exista no núcleo de estrelas de nêutrons. Outra possibilidade, mais especulativa, é sua existência em gotas isoladas, com tamanhos que podem ir de femtômetros, no caso dos strangelets, a quilômetros, no caso das estrelas de quarks.

Dois sentidos do termo

Na física de partículas e na astrofísica, o termo tem dois sentidos, um geral e outro mais restrito.

  1. No sentido geral, é a matéria que contém três sabores de quarks, up, down e strange. Nessa definição, há uma pressão crítica e uma densidade crítica correspondente. Quando a matéria nuclear, formada por prótons e nêutrons, é comprimida além dessa densidade, os prótons e nêutrons se dissociam em quarks. O resultado é matéria de quarks, provavelmente matéria estranha.
  2. No sentido restrito, é a matéria de quarks que seria mais estável que a matéria nuclear. Essa possibilidade é a "hipótese da matéria estranha" de Bodmer e Witten. Nessa definição, a pressão crítica é zero e o verdadeiro estado fundamental da matéria é sempre a matéria de quarks. Os núcleos da matéria ao nosso redor, que são gotas de matéria nuclear, seriam metaestáveis. Com tempo suficiente ou um estímulo externo adequado, decairiam em gotas de matéria estranha, os strangelets.

Léptons

Os léptons são partículas de spin 1/2 e, por isso, são férmions. Sua carga elétrica é de −1 e, no caso dos léptons carregados, ou de zero, no caso dos neutrinos. Os léptons não têm carga de cor e não participam da interação forte. Participam de processos de decaimento radioativo e estão sujeitos à interação fraca. Como têm massa, também estão sujeitos à gravidade.

Propriedades dos léptons, valores da compilação de 2008
NomeSímboloSpinCarga elétrica
em unidades de e		Massa
em MeV/c2		Massa comparável à deAntipartículaSímbolo da antipartícula
Léptons carregados
elétrone−1/2−10,51101 elétronpósitrone+
múonμ−1/2−1105,7aproximadamente 200 elétronsantimúonμ+
tauτ−1/2−11.777aproximadamente 2 prótonsantitauτ+
Neutrinos
neutrino do elétronνe1/20< 0,000460menos de 1/1.000 da massa do elétronantineutrino do elétronν¯e
neutrino do múonνμ1/20< 0,19menos de 1/2 da massa do elétronantineutrino do múonν¯μ
neutrino do tauντ1/20< 18,2menos de 40 elétronsantineutrino do tauν¯τ

Os limites de massa dos neutrinos na tabela são resultados históricos obtidos por métodos diferentes. O experimento KATRIN estabeleceu um limite de 0,45 eV/c2, com nível de confiança de 90%, para a massa efetiva medida no decaimento beta do trítio. Essa grandeza combina as massas dos estados de neutrino e não corresponde a uma massa individual de cada sabor.

Fases

Diagrama de fase de uma substância típica em função da temperatura e da pressão.

Em escala macroscópica, a matéria pode existir em diferentes formas ou estados de agregação, chamados de fases, conforme as condições de pressão, temperatura e volume. Uma fase é uma forma de matéria com composição química e propriedades físicas relativamente uniformes, como densidade, calor específico e índice refrativo. Entre as fases estão os três estados familiares, sólido, líquido e gasoso, e estados mais exóticos, como plasmas, superfluidos, supersólidos e condensados de Bose-Einstein. Um fluido pode ser um líquido, um gás ou um plasma. Os materiais magnéticos também apresentam fases paramagnéticas e ferromagnéticas. Quando as condições mudam, a matéria pode passar de uma fase para outra. Esses fenômenos são chamados de transições de fase e são estudados pela termodinâmica. Nos nanomateriais, a razão muito maior entre a área da superfície e o volume pode produzir propriedades inteiramente diferentes das do mesmo material em escala macroscópica, que não são bem expressas pelas fases macroscópicas.

As fases às vezes são chamadas de estados da matéria, mas esse termo pode ser confundido com estados termodinâmicos. Dois gases mantidos a pressões diferentes, por exemplo, estão em estados termodinâmicos diferentes devido à diferença de pressão, mas na mesma fase, a gasosa.

Antimatéria

Problema em aberto na física
Assimetria de bárions: por que há muito mais matéria do que antimatéria no universo observável?
Mais problemas em aberto na física

A antimatéria é formada pelas antipartículas das partículas que constituem a matéria comum. Quando uma partícula encontra sua antipartícula, elas podem se aniquilar, transformando-se em outras partículas com conservação da energia total, em conformidade com a relação E = mc2 de Albert Einstein. As partículas produzidas podem ser fótons de alta energia, os raios gama, ou outros pares de partícula e antipartícula. A diferença entre as energias de repouso do par inicial e dos produtos pode se transformar em energia cinética, muitas vezes em grande quantidade. Conforme a definição de matéria adotada, a antimatéria pode ser uma subclasse da matéria ou sua contraparte.

Na Terra, a antimatéria ocorre naturalmente em quantidades muito pequenas e geralmente por pouco tempo, como resultado de decaimentos radioativos, raios ou interações de raios cósmicos. Fora de um laboratório com condições adequadas, ela quase imediatamente encontra a matéria comum que forma a Terra e se aniquila. Antipartículas e formas estáveis de antimatéria, como o anti-hidrogênio, podem ser produzidas em quantidades diminutas, suficientes apenas para testar algumas de suas propriedades teóricas.

A aparente predominância quase completa da matéria no universo observável, formada por quarks e léptons, e não por antiquarks e antiléptons, desperta especulações na ciência e na ficção científica. Outra questão é se poderiam existir regiões constituídas quase inteiramente de antimatéria. No universo primordial, matéria e antimatéria teriam sido produzidas em quantidades iguais. Para explicar o desaparecimento da antimatéria, é necessária uma assimetria nas leis físicas, como a violação de CP, a simetria de carga e paridade, presente no Modelo Padrão. A violação de CP prevista pelo modelo, porém, não basta para explicar o desequilíbrio observado. A assimetria entre matéria e antimatéria é um dos problemas em aberto da física. Os processos que poderiam ter produzido esse desequilíbrio são estudados pela bariogênese.

Formalmente, as partículas de antimatéria podem ser caracterizadas por número bariônico ou número leptônico negativo, enquanto as partículas de matéria comum têm um desses números positivo. Cada partícula de uma dessas classes tem sua antipartícula na outra.

Em outubro de 2017, uma medição do momento magnético do antipróton, com precisão de 1,5 parte por bilhão, encontrou um valor compatível, em módulo, com o do próton e de sinal oposto. O resultado foi compatível com a simetria entre matéria e antimatéria testada pelo experimento. Ele não resolveu a questão de por que a matéria e a antimatéria produzidas no universo primordial não se aniquilaram por completo. O mecanismo que gerou o desequilíbrio entre elas permanece desconhecido.

Conservação

O número bariônico e o número leptônico permitem quantificar a matéria na definição baseada em quarks e léptons, e a antimatéria na definição baseada em antiquarks e antiléptons. Essas grandezas obedecem a leis de conservação nos processos usuais da física de partículas. No Modelo Padrão, essa conservação não é absoluta, pois efeitos quânticos podem violar a soma dos números bariônico e leptônico, preservando sua diferença.

Um bárion, como o próton ou o nêutron, tem número bariônico igual a 1. Cada quark recebe o número bariônico 1/3, pois há três quarks em um bárion comum. A quantidade líquida de quarks é obtida subtraindo-se o número de antiquarks, cada um com número bariônico −1/3, e é proporcional ao número bariônico. O número leptônico é a diferença entre as quantidades de léptons e antiléptons. Essas quantidades líquidas não mudam nos processos usuais. Mesmo em uma bomba nuclear, os bárions dos núcleos atômicos não são destruídos. Há tantos bárions depois da reação quanto antes dela, e eles não são convertidos em partículas como os fótons da luz ou de outras formas de radiação. A energia liberada resulta da diferença de energia de ligação nuclear entre os reagentes e os produtos. Na fissão, núcleos pesados, como os de plutônio, se dividem em núcleos menores. Na fusão, núcleos leves, como os de hidrogênio, se unem para formar núcleos mais pesados. Nas reações que liberam energia, os produtos têm menor massa total de repouso, em conformidade com a equivalência massa–energia. Mesmo na aniquilação de um elétron com um pósitron, a quantidade líquida de matéria não é destruída. Antes da aniquilação, os números bariônico e leptônico totais já eram zero, pois um lépton menos um antilépton resulta em número leptônico nulo. Depois da aniquilação, esses totais permanecem iguais a zero.

Nessa definição, a matéria é quantificada pelos números bariônico e leptônico. Bárions e léptons podem ser criados com seus respectivos antibárions e antiléptons, e podem ser destruídos por aniquilação com eles. Como as antipartículas têm números bariônicos ou leptônicos negativos, os totais permanecem iguais nesses processos. Todas essas partículas, porém, têm massa positiva, de modo que a soma de suas massas de repouso não precisa se conservar. Fora das reações nucleares naturais ou artificiais, a antimatéria é muito escassa no universo, uma questão relacionada à assimetria de bárions e à leptogênese. Por isso, a aniquilação de partículas é rara nas condições comuns.

Matéria escura




Distribuição da densidade de energia do universo em estimativas de 2003. A matéria comum se divide em matéria luminosa, formada por estrelas e gases luminosos, com 0,005% do total em radiação, e matéria não luminosa, formada por gás intergaláctico, com cerca de 0,1% do total em neutrinos e 0,04% em buracos negros supermassivos. A matéria comum corresponde a uma pequena parcela do total. Mais informações estão disponíveis no site da NASA.

  Energia escura, 73%
  Matéria escura, 23%
  Matéria comum não luminosa, 3,6%
  Matéria comum luminosa, 0,4%

Nas estimativas cosmológicas usadas na década de 2000, a matéria comum, na definição baseada em quarks e léptons, correspondia a cerca de 4% da energia do universo observável. A energia restante era atribuída a formas exóticas, com 23% em matéria escura e 73% em energia escura.

Estimativas cosmológicas mais recentes atribuem aproximadamente 5% da densidade de energia do universo à matéria comum, 27% à matéria escura e 68% à energia escura.

Curva de rotação da Via Láctea. O eixo vertical mostra a velocidade de rotação em torno do centro galáctico, e o horizontal, a distância até esse centro. O Sol está assinalado em amarelo. Os pontos mostram as velocidades observadas. A curva preta é a previsão baseada na massa das estrelas e do gás da Via Láctea. A diferença é atribuída à matéria escura ou, possivelmente, a uma modificação da gravidade, como a dinâmica newtoniana modificada, ou MOND. As publicações citadas contêm os dados usados no gráfico.

Na astrofísica e na cosmologia, matéria escura é uma forma de matéria de composição desconhecida que não emite nem reflete radiação eletromagnética suficiente para ser observada diretamente. Sua presença é inferida pelos efeitos gravitacionais sobre a matéria visível. As observações do universo primordial e a teoria do Big Bang exigem que essa matéria tenha energia e massa, mas que não seja formada por bárions comuns, como prótons e nêutrons. A interpretação mais aceita é que a maior parte da matéria escura seja não bariônica. Ela seria, assim, composta de partículas ainda não observadas em laboratório. Uma possibilidade são as partículas supersimétricas, ausentes do Modelo Padrão, que teriam se formado nas energias muito altas do universo primordial e permanecido até o presente.

Energia escura

Na cosmologia, energia escura é o nome dado à causa da aceleração da expansão do universo. Sua natureza exata é desconhecida, mas seus efeitos podem ser modelados atribuindo ao próprio vácuo propriedades como densidade de energia e pressão.

Cerca de 70% da densidade de matéria do universo parece estar na forma de energia escura. Vinte e seis por cento são matéria escura. Apenas 4% são matéria comum. Assim, menos de uma parte em vinte é feita de matéria que observamos experimentalmente ou que o Modelo Padrão da física de partículas contempla. Dos outros 96%, além das propriedades que acabamos de mencionar, não sabemos absolutamente nada.

Lee Smolin, The Trouble with Physics, 2007, p. 16.

Matéria exótica

A matéria exótica é um conceito da física de partículas que pode abranger a matéria escura e a energia escura, além de qualquer material hipotético que viole uma ou mais propriedades das formas conhecidas de matéria. Alguns desses materiais poderiam ter propriedades hipotéticas como massa negativa.

Estudo histórico e filosófico

A concepção moderna de matéria foi revista muitas vezes à medida que se ampliava o conhecimento de seus constituintes básicos e de como interagem. Na física, o termo é empregado em expressões como "física da matéria condensada", "matéria elementar", "matéria partônica", "matéria escura", "antimatéria", "matéria estranha" e "matéria nuclear". Ao discutir matéria e antimatéria, Hannes Alfvén chamou a primeira de koinomatéria, a partir do grego para "matéria comum". Não há consenso na física sobre uma definição geral de matéria, e o termo costuma vir acompanhado de uma palavra que especifica seu sentido.

As definições de matéria também mudaram com as escalas de comprimento usadas para estudá-la. Seus constituintes são diferentes conforme a definição seja feita na escala atômica ou na das partículas elementares. Pode-se definir matéria como átomos, hádrons ou léptons e quarks, dependendo da escala escolhida.

Antiguidade clássica

Na Índia antiga, as filosofias budista, hindu e jainista propunham que a matéria era feita de átomos, chamados de paramanu ou pudgala. Esses átomos seriam "eternos, indestrutíveis, sem partes e incontáveis" e se uniriam ou se separariam para formar estruturas mais elaboradas, obedecendo às leis da natureza. Cada corrente incorporou à teoria suas ideias sobre a alma ou sobre a inexistência dela. A escola Nyaya-Vaisheshika desenvolveu e defendeu essa teoria, sobretudo a partir das ideias do filósofo indiano Kanada. No fim do primeiro milênio d.C., filósofos budistas também desenvolveram ideias semelhantes às da escola Vaisheshika, mas sem incluir uma alma ou consciência. Os filósofos jainistas incluíram a alma, chamada de jiva, e atribuíram a cada átomo qualidades como sabor, cheiro, tato e cor. Ampliaram as ideias dos primeiros textos hindus e budistas ao propor que os átomos seriam úmidos ou secos e que essa qualidade manteria a matéria unida. Também propuseram que os átomos poderiam se combinar pela atração entre opostos e que a alma se prenderia a eles, se transformaria com os resíduos do carma e transmigraria a cada renascimento.

Na Grécia Antiga, os filósofos pré-socráticos procuravam compreender a natureza do mundo visível. Tales de Mileto, que viveu aproximadamente de 624 a 546 a.C., considerava a água o material fundamental do mundo. Anaximandro, de cerca de 610 a 546 a.C., propôs que o material básico não tivesse características ou limites, sendo o infinito, ou ápeiron. Anaxímenes de Mileto, ativo por volta de 585 a.C. e morto em 528 a.C., propôs que a substância básica fosse o pneuma, ou ar. Heráclito, que viveu aproximadamente de 535 a 475 a.C., parece ter escolhido o fogo como elemento básico, embora talvez quisesse dizer que tudo está em mudança. Empédocles, de cerca de 490 a 430 a.C., defendia que tudo era feito de quatro elementos, terra, água, ar e fogo. Parmênides sustentava que a mudança não existe. Demócrito propôs que tudo era formado por corpos minúsculos e inertes, de todas as formas, chamados de átomos, uma filosofia chamada de atomismo. Essas propostas enfrentavam dificuldades filosóficas, discutidas por Aristóteles.

Aristóteles, que viveu de 384 a 322 a.C., deu ao conceito de matéria uma fundamentação filosófica sistemática em sua filosofia natural, especialmente no livro I da Física. Aceitou os quatro elementos de Empédocles como suposições razoáveis e acrescentou um quinto, o éter. Para ele, porém, esses elementos não eram fundamentais. Assim como tudo o que existe no mundo visível, eram compostos pelos princípios básicos de matéria e forma.

Pois minha definição de matéria é precisamente esta: o substrato primeiro de cada coisa, do qual ela vem a ser sem qualificação e que permanece no resultado.

Aristóteles, Física, I, 9, 192a32.

A palavra grega usada por Aristóteles para matéria, ὕλη, transliterada como hyle ou hule, significa literalmente madeira, a "matéria-prima" de uma construção. Sua concepção de matéria pressupõe algo que é feito ou composto. Enquanto a concepção do início da Idade Moderna define a matéria pela ocupação do espaço, Aristóteles a define a partir dos processos e das mudanças. Matéria é aquilo que permanece em uma mudança de substância. Quando um cavalo come capim, por exemplo, transforma o capim em parte de si mesmo. O capim deixa de existir como capim, mas algo dele, sua matéria, permanece. Essa matéria não é especificada como átomos ou outra estrutura. É aquilo que persiste na transformação da substância do capim em cavalo. Nesse entendimento, a matéria não existe de modo independente, como uma substância. Existe em dependência da forma, como um "princípio", na medida em que está na base da mudança. A relação entre matéria e forma é semelhante à relação entre as partes e o todo. Para Aristóteles, a matéria só pode receber atualidade da forma. Não tem atividade nem atualidade por si mesma, assim como as partes só existem como partes em um todo. Se existissem de maneira independente, seriam elas próprias outros todos.

Iluminismo

O filósofo francês René Descartes, que viveu de 1596 a 1650, formulou a concepção moderna de matéria. Sua formação era sobretudo a de um geômetra. Aristóteles havia deduzido a existência da matéria da realidade física da mudança. Descartes tomou como postulado a matéria como uma substância abstrata e matemática que ocupa espaço.

Assim, a extensão em comprimento, largura e profundidade constitui a natureza da substância corporal, e o pensamento constitui a natureza da substância pensante. Tudo o mais que se pode atribuir ao corpo pressupõe extensão e é apenas um modo de uma coisa extensa.

René Descartes, Principles of Philosophy.

Para Descartes, a única propriedade da matéria é a extensão. Sua única atividade, além do movimento, é excluir outros corpos do espaço que ocupa. Essa é a filosofia mecanicista. Descartes separa de maneira absoluta a mente, uma substância pensante e sem extensão, da matéria, uma substância extensa e que não pensa. São coisas independentes. Para Aristóteles, a matéria e o princípio formal, que dá forma, são princípios complementares que juntos compõem uma coisa independente, a substância. Em termos aproximados, Aristóteles define matéria como aquilo de que as coisas são feitas, com uma existência independente apenas potencial. Descartes faz da matéria uma coisa que existe de maneira independente por si mesma.

Nas concepções de Aristóteles e Descartes, a matéria é passiva ou inerte, mas sua relação com a inteligência é diferente. Para Aristóteles, matéria e inteligência, entendida como forma, existem em dependência mútua. Para Descartes, matéria e inteligência, entendida como mente, são substâncias independentes e opostas por definição.

Descartes justificava a restrição das qualidades inerentes da matéria à extensão pela permanência dessa propriedade. Seu critério, porém, era o desejo de explicar todas as propriedades materiais pela geometria, pois a permanência também poderia ser atribuída à cor e à resistência. Hobbes, Boyle e Locke também sustentaram que as propriedades inerentes dos corpos se limitavam à extensão. As chamadas qualidades secundárias, como a cor, seriam apenas produtos da percepção humana.

O filósofo inglês Isaac Newton, que viveu de 1643 a 1727, herdou de Descartes a concepção mecanicista de matéria. Na terceira de suas "Regras do raciocínio em filosofia", enumerou como qualidades universais da matéria a "extensão, dureza, impenetrabilidade, mobilidade e inércia". Em Optics, conjecturou que Deus criou a matéria como "partículas sólidas, dotadas de massa, duras, impenetráveis e móveis", tão duras "que nunca se desgastam nem se quebram em pedaços". As propriedades "primárias" da matéria podiam ser expressas matematicamente, o que não ocorria com qualidades "secundárias", como cor ou sabor. Assim como Descartes, Newton rejeitou a ideia de que essas qualidades secundárias fossem essenciais à matéria.

Newton ampliou a concepção de Descartes ao devolver à matéria, ainda que de forma limitada, propriedades intrínsecas além da extensão, como a massa. A força gravitacional de Newton, que agia "à distância", contrariava a mecânica de Descartes, na qual as interações só ocorriam por contato.

Embora a gravidade newtoniana pudesse parecer uma capacidade dos corpos, Newton não a aceitava como uma propriedade essencial da matéria. Joseph Priestley, que viveu de 1733 a 1804, levou esse raciocínio adiante ao defender que as propriedades dos corpos vão além do contato mecânico. Para ele, as propriedades químicas exigem uma capacidade de atração. A matéria teria, assim, outras capacidades inerentes além das chamadas qualidades primárias de Descartes e de outros filósofos.

Séculos XIX e XX

Desde a época de Priestley, o conhecimento dos constituintes do mundo material, como moléculas, átomos e partículas subatômicas, cresceu muito. No século XIX, com o desenvolvimento da tabela periódica e da teoria atômica, os átomos passaram a ser entendidos como os constituintes fundamentais da matéria, que formavam moléculas e compostos químicos.

A definição usual de matéria como aquilo que tem massa e ocupa espaço difere da maioria das definições físicas e químicas, que se baseiam em sua estrutura e em propriedades que não necessariamente dependem de volume e massa. Na passagem para o século XIX, o conhecimento da matéria começou a mudar rapidamente.

Alguns aspectos da concepção newtoniana permaneceram. James Clerk Maxwell discutiu a matéria em Matter and Motion, separando-a do espaço e do tempo e definindo-a a partir do objeto ao qual se aplica a primeira lei de Newton.

A concepção newtoniana, porém, não esgotava a discussão. No século XIX, cientistas e filósofos debatiam a relação entre a constituição da matéria, as forças que atuam entre suas partes e a afinidade química. Um livro didático de 1870 dividia a matéria em massas, moléculas e átomos.

A ciência distingue três divisões da matéria: massas, moléculas e átomos.
Uma massa de matéria é qualquer porção de matéria que pode ser percebida pelos sentidos.
Uma molécula é a menor partícula de matéria em que um corpo pode ser dividido sem perder sua identidade.
Um átomo é uma partícula ainda menor, produzida pela divisão de uma molécula.

Além de ter massa e ocupar espaço, a matéria passou a ser estudada por suas propriedades químicas e elétricas. Em 1909, o físico J. J. Thomson, que viveu de 1856 a 1940, escreveu sobre a "constituição da matéria" e examinou a possível relação entre matéria e carga elétrica.

A descoberta do elétron no fim do século XIX, a descoberta do núcleo atômico no experimento de Geiger-Marsden, no início do século XX, e o nascimento da física de partículas levaram à concepção da matéria como elétrons, prótons e nêutrons que interagem para formar átomos. Desenvolveu-se uma literatura sobre a "estrutura da matéria", desde sua "estrutura elétrica", no início do século XX, até sua "estrutura de quarks". Em 1992, Maurice Jacob escreveu que "compreender a estrutura de quarks da matéria foi um dos avanços mais importantes da física contemporânea". Os prótons e nêutrons passaram a ser entendidos como estruturas de quarks, enquanto os elétrons permaneceram na categoria das partículas elementares. Na teoria quântica de campos, os físicos falam em campos de matéria e entendem as partículas como "excitações quânticas de um modo do campo de matéria". De Sabbata e Gasperini explicaram seu uso do termo da seguinte maneira:

Com a palavra "matéria", designamos aqui as fontes das interações, isto é, campos espinoriais, como os quarks e os léptons, que se acredita serem os constituintes fundamentais da matéria, ou campos escalares, como as partículas de Higgs, usados para introduzir massa em uma teoria de gauge e que, contudo, poderiam ser compostos de campos fermiônicos mais fundamentais.

Nessa terminologia, as partículas são excitações de campos. O campo de Higgs é um campo escalar, e a interação com ele dá massa a partículas elementares. A possibilidade de que esse campo fosse composto de campos mais fundamentais faz parte da hipótese discutida pelos autores.

Os prótons e nêutrons, porém, não são indivisíveis, pois são formados por quarks. Os elétrons pertencem à família dos léptons. Quarks e léptons são partículas elementares e, em um livro universitário de 2004, constituíam a base da definição dos componentes fundamentais da matéria.

Essas partículas interagem por meio de quatro forças fundamentais, a gravidade, o eletromagnetismo, a interação fraca e a interação forte. O Modelo Padrão explica as partículas elementares e as três últimas interações. A gravidade permanece fora dele. Apesar de décadas de trabalho, ainda não há uma teoria quântica da gravidade confirmada experimentalmente, e sua formulação estabelecida é a da física clássica, na relatividade geral. Esse problema é estudado pela gravidade quântica, que inclui propostas envolvendo o gráviton. A dificuldade de conciliar essas teorias ocupou físicos teóricos como Stephen Hawking. As interações entre quarks e léptons são mediadas pela troca de partículas, como os fótons. Essas partículas mediadoras não são, nessa definição, constituintes materiais. A energia total se conserva, mas a quantidade de partículas de matéria pode mudar. Colisões de fótons podem produzir matéria e antimatéria, e a energia cinética de uma colisão também pode se transformar na energia de repouso de novas partículas.

Em geral, as partículas mediadoras de forças ficam fora dessa definição de matéria. Os fótons, mediadores da força eletromagnética, têm energia, expressa pela relação de Planck, e os bósons W e Z, mediadores da interação fraca, têm massa. Mesmo assim, esses quanta participam da massa total dos átomos, das partículas subatômicas e de todos os sistemas que os contêm.

Ver também

Referências

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