Материята е веществото, от което е изградена всяка материя. Това означава обекти, които имат маса. По-конкретно, те трябва да имат маса на покой, която е форма на енергия, която материята притежава, дори когато не се движи (няма кинетична енергия), е изключително студена (няма топлинна енергия) и т.н. Материята е дума, която понякога се използва по различни начини в ежедневието, докато масата е точно определено понятие и величина поне във физиката. Те не са едно и също нещо, въпреки че са свързани.

Обикновената материя е съставена от малки частици, наречени атоми. Между атомите има пространства и те се движат или вибрират през цялото време. Частиците се движат по-бързо и се отдалечават една от друга, когато се нагряват, и обратното, когато се охлаждат.

Дефиниция и основни понятия

В науката „материя“ обикновено означава всичко, което заема обем и притежава маса. В по-строг физичен смисъл масата е мярка за инертността (съпротивлението към промяна на движението) и е източник на гравитационно привличане. В рамките на специалната теория на относителността масата и енергията са еквивалентни (известното уравнение E = m c²), което означава, че масата може да се свърже с енергийни съдържания на системата.

Маса: понятия и измерване

Маса — основната единица за маса в SI е килограмът (kg). Има две често срещани понятия:

  • Инерциална маса — определя колко силно обектът се съпротивлява на ускорение при приложена сила.
  • Гравитационна маса — определя силата на гравитационното привличане между обектите.

Еквивалентността на инерциалната и гравитационната маса е в основата на принципа на еквивалентността в общата теория на относителността. Практически масата се измерва чрез везни (сравнителни методи) или чрез наблюдение на ускорението при дадена сила (инертни методи).

Тегло не е същото като маса — то е силата, с която гравитацията действа върху масата и зависи от гравитационното поле (например на Земята теглото е различно от това на Луната).

Състав и структура на материята

Макроскопичната материя е изградена от атоми, а атомите от своя страна от по-малки частици: електрони, протони и неутрони. Протоните и неутроните са съставени от кварки и са свързани чрез силното ядрено взаимодействие. Извън тези „обикновени“ частици има и други фундаментални частици (лептони, бозони и др.), които изучава съвременната физика.

Атомите могат да се свързват в молекули, от които се изграждат химични вещества и материали. Между частиците в атомите и молекулите има значително „празно“ пространство; макроскопичните свойства (твърдост, плътност, проводимост и др.) зависят от начините на сглобяване и взаимодействие на тези частици.

Състояния на материята и фазови преходи

Материята се среща в няколко основни макроскопични състояния:

  • Твърдо състояние — частици в кристална или аморфна подредба, с фиксиран обем и форма.
  • Течно състояние — частици имат по-голяма подвижност, обемът е почти фиксиран, но формата се определя от съда.
  • Газ — частици са свободно разпръснати; материята заема целия обем на съда.
  • Плазма — йонизиран газ от свободни електрони и йони; повтаря се при много високи температури или енергии.
  • Бозе–Айнщайнов кондензат — екзотично състояние при изключително ниски температури, при което квантови ефекти доминират макроскопично.

Промените между тези състояния се наричат фазови преходи (топене, изпарение, йонизация и др.) и зависят от температурата и налягането.

Свойства на материята

Някои от основните макроскопични и микроскопични свойства са:

  • Плътност — маса на единица обем (kg/m³); важна за определяне на „колко плътно“ е веществото.
  • Инерция — склонност да запазва състоянието си на движение.
  • Електрични и магнитни свойства — проводимост, диелектричност, феромагнетизъм и др.
  • Топлинни свойства — топлинен капацитет, разширение, проводимост.
  • Оптични свойства — прозрачност, отражение, абсорбция.
  • Империемабилност и обем — макроскопични характеристики, които описват как материята взаимодейства с пространство и други тела.

Други важни понятия

Антиматерия — съставена от античастици (например позитрон е античастица на електрона). При среща материя и антиматерия могат да аннигилират, преобразувайки маса в енергия.

Тъмна материя — форма на материя, която не взаимодейства значимо със светлината (не излъчва и не абсорбира), но проявява гравитационни ефекти върху галактики и клъстери. Нейният състав остава неизвестен и е предмет на активни изследвания.

Запазване на маса и енергия — в класическата химия и механика масата в затворена система се запазва; в съвременната физика по-точно е да се говори за запазване на общата енергия, включително еквивалента на масата (масо-енергийна консервация).

Обобщение

Материята е широко понятие, което включва всичко, имащо маса и заемащо обем — от обикновените атоми и молекули до екзотични състояния и невидими компоненти като тъмната материя. Масата е централно понятие при описанието ѝ: тя определя инертността и гравитационните свойства на обектите, като в съвременната физика е неотделима от енергията.