Définitions de la matière

Basé sur des atomes

Une définition de la « matière » basée sur sa structure physique et chimique est la suivante: la matière est constituée d’atomes. Une telle matière atomique est aussi parfois appelée matière ordinaire. Par exemple, les molécules d’acide désoxyribonucléique (ADN) relèvent de cette définition car elles sont constituées d’atomes. Cette définition peut être étendue aux atomes et molécules chargés, de manière à inclure les plasmas (gaz d’ions) et les électrolytes (solutions ioniques), qui ne sont évidemment pas inclus dans la définition des atomes. Alternativement, on peut adopter la définition des protons, des neutrons et des électrons.

Basé sur des protons, des neutrons et des électrons

Une définition de la «matière» plus fine que la définition des atomes et des molécules est: la matière est constituée de ce que sont les atomes et les molécules, c’est-à-dire tout ce qui est constitué de protons chargés positivement, de neutrons neutres et d’électrons chargés négativement. Cette définition va au-delà des atomes et des molécules pour inclure des substances qui ne sont pas simplement des atomes ou des molécules, par exemple des faisceaux d’électrons dans un ancien téléviseur à tube cathodique ou des noyaux blancs de carbone et d’oxygène. une mer d’électrons dégénérés. Au niveau microscopique, les « particules » constitutives de la matière, telles que les protons, les neutrons et les électrons, obéissent aux lois de la mécanique quantique et présentent une dualité onde–particule. À un niveau encore plus profond, les protons et les neutrons sont constitués de quarks et des champs de force (gluons) qui les relient, conduisant à la définition suivante.

Basé sur les quarks et les leptons

(Sous la définition des « quarks et des leptons », les particules élémentaires et composites constituées des quarks (en violet) et des leptons (en vert) seraient de la matière, tandis que les bosons (en rouge) ne seraient pas de la matière. Cependant, l’énergie d’interaction inhérents aux particules composites (par exemple, les gluons impliqués dans les neutrons et les protons) contribuent à la masse de la matière ordinaire.)

Comme on l’a vu dans la discussion ci-dessus, de nombreuses premières définitions de ce que l’on peut appeler « matière ordinaire » étaient basées sur sa structure ou ses « éléments constitutifs ». A l’échelle des particules élémentaires, une définition qui suit cette tradition peut être formulée comme suit: « la matière ordinaire est tout ce qui est composé de quarks et de leptons » ou « la matière ordinaire est tout ce qui est composé de fermions élémentaires sauf les antiquarks et les antileptons » . La connexion entre ces formulations suit.

Les leptons (le plus célèbre étant l’électron) et les quarks (dont sont faits les baryons, tels que les protons et les neutrons) se combinent pour former des atomes, qui à leur tour forment des molécules. Comme les atomes et les molécules sont considérés comme de la matière, il est naturel de dire que «la matière ordinaire est tout ce qui est constitué des mêmes choses que les atomes et les molécules». (Cependant, on peut aussi remarquer que la matière qui n’est pas des atomes ou des molécules peut être la matière). Puis, comme les électrons sont des leptons et des protons, et que les neutrons sont constitués de quarks, cette définition étant des « quarks et des leptons », qui sont deux des quatre types de fermions élémentaires (les deux autres étant des antiquarks et des antileptons, qui peuvent être considérés comme de l’antimatière comme décrit plus loin). Carithers et Grannis déclarent: « La matière ordinaire est composée entièrement de particules de première génération, à savoir les quarks [up] et [down], ainsi que l’électron et son neutrino. » (Les particules des générations supérieures se décomposent rapidement en particules de première génération et ne sont donc pas couramment rencontrées.)

Cette définition de la matière ordinaire est plus subtile qu’elle n’apparaît d’abord. Toutes les particules qui composent la matière ordinaire (leptons et quarks) sont des fermions élémentaires, alors que tous les porteurs de force sont des bosons élémentaires. Les bosons W et Z qui interviennent dans la force faible ne sont pas constitués de quarks ou de leptons et ne sont donc pas de la matière ordinaire, même s’ils ont une masse. En d’autres termes, la masse n’est pas une chose exclusive à la matière ordinaire.

La définition quark-lepton de la matière ordinaire, cependant, identifie non seulement les éléments constitutifs élémentaires de la matière, mais inclut également les composites fabriqués à partir des constituants (atomes et molécules, par exemple). De tels composites contiennent une énergie d’interaction qui maintient les constituants ensemble et peuvent constituer l’essentiel de la masse du composite. À titre d’exemple, la masse d’un atome est simplement la somme des masses de ses protons, neutrons et électrons. Cependant, en creusant plus profondément, les protons et les neutrons sont constitués de quarks liés par des champs de gluons (voir la dynamique de la chromodynamique quantique) et ces champs de gluons contribuent de manière significative à la masse des hadrons. En d’autres termes, la majeure partie de ce qui compose la « masse » de la matière ordinaire est due à l’énergie de liaison des quarks dans les protons et les neutrons. Par exemple, la somme de la masse des trois quarks dans un nucléon est d’environ 12,5 MeV/c², ce qui est faible comparé à la masse d’un nucléon (environ 938 MeV/c²). L’essentiel est que la majeure partie de la masse des objets de la vie quotidienne provient de l’énergie d’interaction de ses composants élémentaires.

Le modèle standard regroupe les particules de matière en trois générations, chaque génération étant constituée de deux quarks et de deux leptons. La première génération est constituée des quarks up et down, de l’électron et du neutrino électron; le second comprend le quark charme et strange, le muon et le neutrino muon; la troisième génération se compose des quarks top et bottom et des tau et neutrinos tau. L’explication la plus naturelle à cela serait que les quarks et les leptons des générations supérieures sont des états excités des premières générations. Si tel est le cas, cela impliquerait que les quarks et les leptons sont des particules composites plutôt que des particules élémentaires.

Cette définition quark-lepton de la matière conduit également à ce que l’on peut qualifier de lois de «conservation de la matière (nette)». Alternativement, on pourrait revenir au concept de matière masse-volume-espace, conduisant à la définition suivante, dans laquelle l’antimatière devient une sous-classe de matière.

Basé sur des fermions élémentaires (masse, volume et espace)

Une définition commune ou traditionnelle de la matière est « tout ce qui a une masse et un volume (occupe un espace) ». Par exemple, on dirait qu’une voiture est faite de matière, car elle a une masse et un volume (occupe l’espace).

L’observation que la matière occupe de l’espace remonte à l’Antiquité. Cependant, une explication de la raison pour laquelle la matière occupe de l’espace est récente, et on prétend qu’elle résulte du phénomène décrit dans le principe d’exclusion de Pauli, qui s’applique aux fermions. Deux exemples particuliers où le principe d’exclusion est clairement lié à l’occupation de l’espace sont les étoiles naines blanches et les étoiles à neutrons.

Ainsi, la matière peut être définie comme tout ce qui est composé de fermions élémentaires. Bien que nous ne les rencontrions pas dans la vie quotidienne, les antiquarks (comme l’antiproton) et les antileptons (comme le positron) sont les antiparticules du quark et du lepton, sont également des fermions élémentaires et ont essentiellement les mêmes propriétés que les quarks. et les leptons, y compris l’applicabilité du principe d’exclusion de Pauli, qui peut être considéré comme empêchant deux particules d’être au même endroit au même moment (dans le même état), c.-à-d. cette définition particulière conduit à définir la matière pour inclure tout ce qui est fait de ces particules d’antimatière, ainsi que le quark et le lepton ordinaires, et donc aussi tout ce qui est fait de mésons, particules instables composées d’un quark et d’un antiquark.

En relativité générale et cosmologie

Dans le contexte de la relativité, la masse n’est pas une quantité additive, en ce sens que l’on ne peut pas ajouter les masses de particules restantes dans un système pour obtenir la masse totale de repos du système. Ainsi, en relativité, une vue plus générale est que ce n’est pas la somme des masses de repos, mais le tenseur d’énergie-quantité de mouvement qui quantifie la quantité de matière. Ce tenseur donne la masse restante pour tout le système. La « matière » est donc parfois considérée comme quelque chose qui contribue à la dynamique de l’énergie d’un système, c’est-à-dire de tout ce qui n’est pas uniquement de la gravité. Cette vue est généralement présente dans des domaines traitant de la relativité générale tels que la cosmologie. Dans cette vue, la lumière et les autres particules et champs sans masse font tous partie de la « matière ».