Madde
Klasik fizik ve genel kimyada madde, kütlesi olan ve hacmi ile yer kaplayan herhangi bir maddedir. Dokunulabilen tüm günlük nesneler nihayetinde etkileşim halindeki atom altı parçacıklardan oluşan atomlardan meydana gelir ve günlük ve bilimsel kullanımda "madde" genellikle atomları ve onlardan oluşan her şeyi ve hem durgun kütleye hem de hacme sahipmiş gibi davranan herhangi bir parçacığı (veya parçacık kombinasyonunu) içerir. Ancak fotonlar gibi kütlesiz parçacıkları ya da ışık veya ısı gibi diğer enerji fenomenlerini veya dalgalarını içermez. Madde çeşitli hallerde (fazlar olarak da bilinir) bulunur. Bunlar katı, sıvı ve gaz gibi klasik günlük fazları içerir - örneğin su buz, sıvı su ve gaz halindeki buhar olarak bulunur - ancak plazma, Bose-Einstein yoğuşmaları, fermiyonik yoğuşmalar ve kuark-gluon plazması dahil olmak üzere başka durumlar da mümkündür. ⓘ
Genellikle atomlar proton ve nötronlardan oluşan bir çekirdek ve onu çevreleyen ve "yer kaplayan" elektronlardan oluşan bir "bulut" olarak düşünülebilir. Ancak bu sadece bir ölçüde doğrudur, çünkü atom altı parçacıklar ve özellikleri kuantum doğaları tarafından yönetilir, yani günlük nesnelerin göründüğü gibi hareket etmezler - parçacıkların yanı sıra dalgalar gibi de hareket edebilirler ve iyi tanımlanmış boyutlara veya konumlara sahip değildirler. Parçacık fiziğinin Standart Modelinde madde temel bir kavram değildir çünkü atomların temel bileşenleri kuantum varlıklarıdır ve kelimenin gündelik anlamında bir "boyuta" ya da "hacme" sahip değildir. Dışlama ilkesi ve diğer temel etkileşimler nedeniyle, fermiyonlar (kuarklar, leptonlar) olarak bilinen bazı "nokta parçacıklar" ve birçok bileşik ve atom, günlük koşullar altında diğer parçacıklardan etkili bir şekilde uzak durmaya zorlanır; bu da bize yer kaplayan madde olarak görünen madde özelliğini yaratır. ⓘ
Doğa bilimleri tarihinin büyük bir bölümünde insanlar maddenin tam doğası üzerine kafa yormuşlardır. Maddenin ayrık yapı taşlarından oluştuğu fikri, yani maddenin parçacık teorisi, MÖ 1. binyılda Budistler, Hindular ve Jainler arasında antik Yunan ve antik Hindistan'da bağımsız olarak ortaya çıkmıştır. Maddenin parçacık teorisini öneren antik filozoflar arasında Kanada (MÖ 6. yüzyıl veya sonrası), Leucippus (MÖ 490) ve Democritus (MÖ 470-380) bulunmaktadır. ⓘ
Madde ya da özdek, uzayda yer kaplayan hacmi ve kütlesi olan tanecikli yapılara denir. Beş duyu organımızla algılayabildiğimiz (hissedebildiğimiz) canlı ve cansız varlıklara denir. ⓘ
Madde olmayan şeyler de vardır. Örneğin; ses, gölge, ısı, ışık, sıcaklık, radyo dalgaları, TV frekansları gibi şeyler tanecikli bir yapıya sahip olmadıkları (hacim ve kütleleri bulunmadığı) ve (kendi başına hareket ettikleri ya da araz özelliğine sahip olup) eylemsizlik özelliği taşımadıkları için madde olarak kabul edilmezler. ⓘ
Maddenin en küçük yapı birimi atomlardır. Atomlar birleşerek maddeleri meydana getirir. Örneğin: İki hidrojen atomu ile bir oksijen atomu birleşerek suyu meydana getirirler. ⓘ
Bir atom; elektron, nötron ve protondan oluşur. ⓘ
Elektron maddenin en küçük parçacığıdır ve enerjiden oluşur. Nükleer fizik ve nükleer kimyada nötrino adı ile anılan bu enerji hakkında hâlâ pek az şey bilinmektedir. ⓘ
Madde kendi çapında:
- Fiziksel olay: Bir madde üzerinde meydana geldiği zaman, o maddenin hüviyetini, yapısını değiştirmeyen olaydır. Mesela kağıdın yırtılması, fiziki bir olaydır. Çünkü kağıdın şekli değişmiş fakat özü yine kâğıttır.
- Kimyasal olay: Bir madde üzerinde meydana geldiği vakit, o maddenin hüviyet ve yapısını değiştiren olaydır. Mesela kağıdın yanması gibi. ⓘ
Atomların çekirdeklerinde değişmeler, parçalanmalar olduğu radyoaktif denilen elementlerden anlaşılmaktadır. Atomların ortasında bulunan çekirdeklerin bu parçalanmasında bir elementin başka bir elemente dönüştüğü anlaşılmıştır. Ayrıca Albert Einstein'in izafiyet kuramına göre madde ve enerji birbirine eş değerdir. Bu sebeple madde enerjiye, enerji de maddeye dönüştürülebilir. Mesela bir uranyum çekirdeğinin veya başka bir ağır atom çekirdeğinin ikiye ayrılmasıyla meydana gelen çekirdek bölünmesinde madde enerjiye dönüşür. Bileşik cisimlerde olduğu gibi elementler de hep değişmekte bir halden başka hale dönmektedir. ⓘ
Kütle ile karşılaştırma
Modern fizikte ikisi aynı şey olmadığından, madde kütle ile karıştırılmamalıdır. Madde, herhangi bir 'fiziksel maddeyi' tanımlayan genel bir terimdir. Buna karşın kütle bir madde değil, maddenin ve diğer maddelerin veya sistemlerin nicel bir özelliğidir; fizikte durgun kütle, eylemsiz kütle, göreli kütle, kütle-enerji dahil ancak bunlarla sınırlı olmamak üzere çeşitli kütle türleri tanımlanmıştır. ⓘ
Neyin madde olarak kabul edilmesi gerektiği konusunda farklı görüşler olsa da, bir maddenin kütlesinin kesin bilimsel tanımları vardır. Bir diğer fark ise maddenin antimadde adı verilen bir "zıttı" vardır, ancak kütlenin zıttı yoktur - bilim insanları bu kavramı tartışsalar da bilindiği kadarıyla "anti-kütle" ya da negatif kütle diye bir şey yoktur. Antimadde, normal madde muadili ile aynı (yani pozitif) kütle özelliğine sahiptir. ⓘ
Farklı bilim alanları madde terimini farklı ve bazen de birbiriyle uyumsuz şekillerde kullanmaktadır. Bu yollardan bazıları, kütleyi sadece bir miktar maddeden ayırmak için hiçbir nedenin olmadığı zamanlardan kalma gevşek tarihsel anlamlara dayanmaktadır. Bu nedenle, "madde" kelimesinin evrensel olarak kabul edilmiş tek bir bilimsel anlamı yoktur. Bilimsel olarak "kütle" terimi iyi tanımlanmıştır, ancak "madde" çeşitli şekillerde tanımlanabilir. Bazen fizik alanında "madde" basitçe kuarklar ve leptonlar gibi durgun kütle sergileyen (yani ışık hızında hareket edemeyen) parçacıklarla eşitlenir. Bununla birlikte, hem fizik hem de kimyada madde, dalga-parçacık ikiliği olarak adlandırılan hem dalga benzeri hem de parçacık benzeri özellikler sergiler. ⓘ
Tanım
Atomlara dayalı
Fiziksel ve kimyasal yapısına dayalı bir "madde" tanımı şöyledir: madde atomlardan oluşur. Bu tür atomik madde bazen sıradan madde olarak da adlandırılır. Örnek olarak, deoksiribonükleik asit molekülleri (DNA) atomlardan oluştukları için bu tanıma göre maddedir. Bu tanım yüklü atomları ve molekülleri içerecek şekilde genişletilebilir, böylece atom tanımına açıkça dahil edilmeyen plazmalar (iyon gazları) ve elektrolitler (iyonik çözeltiler) dahil edilebilir. Alternatif olarak protonlar, nötronlar ve elektronlar tanımı da benimsenebilir. ⓘ
Protonlar, nötronlar ve elektronlara dayanarak
Atomlar ve moleküller tanımından daha ince ölçekli bir "madde" tanımı şöyledir: madde, atomlar ve moleküller nelerden oluşuyorsa onlardan oluşur, yani pozitif yüklü protonlar, nötr nötronlar ve negatif yüklü elektronlardan oluşan her şeyden. Ancak bu tanım atom ve moleküllerin ötesine geçerek, basitçe atom ya da molekül olmayan bu yapı taşlarından yapılmış maddeleri, örneğin eski bir katot ışın tüplü televizyondaki elektron ışınlarını ya da beyaz cüce maddesini - tipik olarak, dejenere elektron denizindeki karbon ve oksijen çekirdeklerini - kapsar. Mikroskobik düzeyde, protonlar, nötronlar ve elektronlar gibi maddeyi oluşturan "parçacıklar" kuantum mekaniği yasalarına uyar ve dalga-parçacık ikiliği sergiler. Daha da derin bir düzeyde, protonlar ve nötronlar kuarklardan ve onları birbirine bağlayan kuvvet alanlarından (gluonlar) oluşur ve bu da bir sonraki tanıma yol açar. ⓘ
Kuarklar ve leptonlara dayanarak
Yukarıdaki tartışmada görüldüğü gibi, "sıradan madde" olarak adlandırılabilecek şeyin ilk tanımlarının çoğu, yapısına veya "yapı taşlarına" dayanıyordu. Temel parçacıklar ölçeğinde, bu geleneği takip eden bir tanım şu şekilde ifade edilebilir: "sıradan madde kuark ve leptonlardan oluşan her şeydir" ya da "sıradan madde antikuark ve antileptonlar dışında herhangi bir temel fermiyondan oluşan her şeydir". Bu formülasyonlar arasındaki bağlantı aşağıdaki gibidir. ⓘ
Leptonlar (en ünlüsü elektron) ve kuarklar (protonlar ve nötronlar gibi baryonlar bunlardan oluşur) birleşerek atomları, onlar da molekülleri oluşturur. Atom ve moleküllerin madde olduğu söylendiğinden, tanımı şu şekilde ifade etmek doğaldır: "sıradan madde, atomların ve moleküllerin yapıldığı şeylerin aynısından yapılmış herhangi bir şeydir". (Ancak, bu yapı taşlarından atom ya da molekül olmayan maddeler de yapılabileceğine dikkat ediniz). Elektronlar leptonlardan, protonlar ve nötronlar da kuarklardan oluştuğu için, bu tanım da maddenin dört temel fermiyon türünden ikisi olan "kuarklar ve leptonlar" olarak tanımlanmasına yol açar (diğer ikisi daha sonra açıklanacağı üzere antimadde olarak kabul edilebilecek olan antikuarklar ve antileptonlardır). Carithers ve Grannis şöyle demektedir: "Sıradan madde tamamen birinci nesil parçacıklardan, yani [yukarı] ve [aşağı] kuarklardan, artı elektron ve onun nötrinosundan oluşur." (Daha yüksek nesil parçacıklar hızla birinci nesil parçacıklara bozunur ve bu nedenle yaygın olarak karşılaşılmaz). ⓘ
Sıradan maddenin bu tanımı ilk bakışta göründüğünden daha inceliklidir. Sıradan maddeyi oluşturan tüm parçacıklar (leptonlar ve kuarklar) temel fermiyonlar iken, tüm kuvvet taşıyıcıları temel bozonlardır. Zayıf kuvvete aracılık eden W ve Z bozonları kuarklardan ya da leptonlardan oluşmazlar ve dolayısıyla kütleleri olsa bile sıradan madde değildirler. Başka bir deyişle, kütle sıradan maddeye özgü bir şey değildir. ⓘ
Bununla birlikte, sıradan maddenin kuark-lepton tanımı yalnızca maddenin temel yapı taşlarını tanımlamakla kalmaz, aynı zamanda bileşenlerden (örneğin atomlar ve moleküller) yapılan bileşikleri de içerir. Bu tür bileşimler, bileşenleri bir arada tutan bir etkileşim enerjisi içerir ve bileşimin kütlesinin büyük kısmını oluşturabilir. Örnek olarak, bir atomun kütlesi büyük ölçüde kendisini oluşturan proton, nötron ve elektronların kütlelerinin toplamından ibarettir. Ancak daha derine inildiğinde, proton ve nötronların gluon alanlarıyla birbirine bağlanmış kuarklardan oluştuğu görülür (bkz. kuantum kromodinamiğinin dinamikleri) ve bu gluon alanları hadronların kütlesine önemli ölçüde katkıda bulunur. Başka bir deyişle, sıradan maddenin "kütlesini" oluşturan şeyin çoğu, proton ve nötronlar içindeki kuarkların bağlanma enerjisinden kaynaklanmaktadır. Örneğin, bir nükleondaki üç kuarkın kütlesinin toplamı yaklaşık 12,5 MeV/c2'dir ve bu da bir nükleonun kütlesine (yaklaşık 938 MeV/c2) kıyasla düşüktür. Sonuç olarak, günlük nesnelerin kütlesinin çoğu, temel bileşenlerinin etkileşim enerjisinden gelir. ⓘ
Standart Model madde parçacıklarını üç nesle ayırır ve her nesil iki kuark ve iki leptondan oluşur. Birinci nesil yukarı ve aşağı kuarklar, elektron ve elektron nötrinosu; ikinci nesil tılsım ve garip kuarklar, müon ve müon nötrinosu; üçüncü nesil ise üst ve alt kuarklar ile tau ve tau nötrinosundan oluşur. Bunun en doğal açıklaması, daha yüksek kuşaklardaki kuark ve leptonların ilk kuşakların uyarılmış halleri olduğudur. Eğer durum böyle olursa, bu kuark ve leptonların temel parçacıklardan ziyade bileşik parçacıklar olduğu anlamına gelecektir. ⓘ
Maddenin bu kuark-lepton tanımı, daha sonra aşağıda tartışılacak olan "(net) maddenin korunumu" yasaları olarak tanımlanabilecek yasalara da yol açar. Alternatif olarak, maddenin kütle-hacim-uzay kavramına geri dönülebilir ve bu da antimaddenin maddenin bir alt sınıfı olarak dahil edildiği bir sonraki tanıma yol açar. ⓘ
Temel fermiyonlara (kütle, hacim ve uzay) dayanarak
Maddenin yaygın ya da geleneksel tanımı "kütlesi ve hacmi olan (yer kaplayan) her şey" şeklindedir. Örneğin, bir arabanın kütlesi ve hacmi olduğu (yer kapladığı) için maddeden yapılmış olduğu söylenebilir. ⓘ
Maddenin yer kapladığı gözlemi antik çağlara kadar uzanmaktadır. Bununla birlikte, maddenin neden yer kapladığına ilişkin açıklama yenidir ve fermiyonlar için geçerli olan Pauli dışlama ilkesinde açıklanan olgunun bir sonucu olduğu ileri sürülmektedir. Dışlama ilkesinin maddeyi uzayda yer kaplamasıyla açıkça ilişkilendirdiği iki özel örnek, aşağıda daha ayrıntılı olarak ele alınan beyaz cüce yıldızlar ve nötron yıldızlarıdır. ⓘ
Dolayısıyla madde, temel fermiyonlardan oluşan her şey olarak tanımlanabilir. Günlük hayatta karşılaşmasak da, kuark ve leptonun karşıt parçacıkları olan antikuarklar (antiproton gibi) ve antileptonlar (pozitron gibi) da temel fermiyonlardır ve iki parçacığın aynı anda aynı yerde (aynı durumda) bulunmasını engelleyen, yani her parçacığın "yer kaplamasına" neden olan Pauli dışlama ilkesinin uygulanabilirliği de dahil olmak üzere kuarklar ve leptonlarla temelde aynı özelliklere sahiptirler. Bu özel tanım, maddenin bu antimadde parçacıklarının yanı sıra sıradan kuark ve leptondan ve dolayısıyla bir kuark ve bir antikuarktan oluşan kararsız parçacıklar olan mezonlardan yapılan her şeyi içerecek şekilde tanımlanmasına yol açar. ⓘ
Genel görelilik ve kozmolojide
Görelilik bağlamında kütle, bir sistemdeki parçacıkların kalan kütlelerini toplayarak sistemin toplam kalan kütlesini elde edememek anlamında, eklemeli bir nicelik değildir. Bu nedenle, görelilikte genellikle daha genel bir görüş, maddenin miktarını ölçenin durgun kütlelerin toplamı değil, enerji-momentum tensörü olduğudur. Bu tensör tüm sistem için durgun kütleyi verir. Bu nedenle "madde" bazen bir sistemin enerji-momentumuna katkıda bulunan, yani tamamen yerçekimi olmayan herhangi bir şey olarak kabul edilir. Bu görüş kozmoloji gibi genel görelilikle ilgilenen alanlarda yaygın olarak benimsenmektedir. Bu görüşe göre, ışık ve diğer kütlesiz parçacıklar ve alanlar "maddenin" bir parçasıdır. ⓘ
Yapı
Parçacık fiziğinde fermiyonlar, Fermi-Dirac istatistiklerine uyan parçacıklardır. Fermiyonlar elektron gibi temel ya da proton ve nötron gibi bileşik olabilir. Standart Model'de iki tür temel fermiyon vardır: kuarklar ve leptonlar, bunlar daha sonra tartışılacaktır. ⓘ
Kuarklar
Kuarklar spin-1⁄2 olan kütleli parçacıklardır, bu da fermiyon olduklarını gösterir. Elektrik yükleri -1⁄3 e (aşağı tip kuarklar) veya +2⁄3 e (yukarı tip kuarklar) şeklindedir. Karşılaştırma için, bir elektron -1 e yüküne sahiptir. Ayrıca, güçlü etkileşim için elektrik yüküne eşdeğer olan renk yükü de taşırlar. Kuarklar ayrıca radyoaktif bozunmaya uğrarlar, yani zayıf etkileşime tabidirler. ⓘ
| isim | sembolü | Döndür | elektrik yükü (e) |
kütle (MeV/c2) |
ile karşılaştırılabilir kütle | antiparçacık | antiparçacık sembolü ⓘ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| yukarı tip kuarklar | |||||||
| yukarı | u |
1⁄2 | +2⁄3 | 1.5 ila 3.3 | ~ 5 elektron | antiUP | u |
| çekicilik | c |
1⁄2 | +2⁄3 | 1160 ila 1340 | ~1 proton | anticharm | c |
| üst | t |
1⁄2 | +2⁄3 | 169,100 ila 173,300 | ~180 proton veya ~1 tungsten atomu |
antitop | t |
| aşağı tip kuarklar | |||||||
| aşağı | d |
1⁄2 | −1⁄3 | 3.5 ila 6.0 | ~10 elektron | antidown | d |
| garip | s |
1⁄2 | −1⁄3 | 70 ila 130 | ~ 200 elektron | antistrange | s |
| alt | b |
1⁄2 | −1⁄3 | 4130 ila 4370 | ~ 5 proton | antibottom | b |
Baryonik
Baryonlar güçlü etkileşime sahip fermiyonlardır ve bu nedenle Fermi-Dirac istatistiklerine tabidirler. Baryonlar arasında atom çekirdeğinde bulunan protonlar ve nötronlar yer alır, ancak diğer birçok kararsız baryon da mevcuttur. Baryon terimi genellikle üç kuarktan oluşan parçacıkları ifade eder. Ayrıca, dört kuark ve bir antikuarktan oluşan "egzotik" baryonlar pentaquark olarak bilinir, ancak bunların varlığı genel olarak kabul edilmemektedir. ⓘ
Baryonik madde, evrenin baryonlardan oluşan kısmıdır (tüm atomlar dahil). Evrenin bu kısmı karanlık enerjiyi, karanlık maddeyi, kara delikleri ya da beyaz cüce yıldızları ve nötron yıldızlarını oluşturan dejenere maddenin çeşitli biçimlerini içermez. Wilkinson Mikrodalga Anizotropi Sondası (WMAP) tarafından görülen mikrodalga ışığı, evrenin en iyi teleskopların menzili içindeki kısmının (yani, ışık bize ondan ulaşabileceği için görülebilen maddenin) yalnızca yaklaşık %4,6'sının baryonik maddeden oluştuğunu göstermektedir. Yaklaşık %26,8'i karanlık madde ve yaklaşık %68,3'ü karanlık enerjidir. ⓘ
Evrendeki sıradan maddenin büyük çoğunluğu görünmezdir, çünkü galaksiler ve kümeler içindeki görünür yıldızlar ve gaz, evrenin kütle-enerji yoğunluğuna sıradan madde katkısının yüzde 10'undan daha azını oluşturur. ⓘ
Hadronik
Hadronik madde, hadronlardan (baryonlar ve mezonlar) oluşan 'sıradan' baryonik maddeyi veya kuark maddesini (atom çekirdeklerinin bir genellemesi), yani 'düşük' sıcaklıktaki QCD maddesini ifade edebilir. Dejenere maddeyi ve yüksek enerjili ağır çekirdek çarpışmalarının sonucunu içerir. ⓘ
Dejenere
Fizikte dejenere madde, mutlak sıfıra yakın bir sıcaklıkta bir fermiyon gazının temel durumunu ifade eder. Pauli dışlama ilkesi, bir kuantum durumunu yalnızca iki fermiyonun işgal edebilmesini gerektirir, biri spin-up diğeri spin-down. Dolayısıyla, sıfır sıcaklıkta, fermiyonlar mevcut tüm fermiyonları barındırmak için yeterli seviyeleri doldurur ve çok sayıda fermiyon olması durumunda, maksimum kinetik enerji (Fermi enerjisi olarak adlandırılır) ve gazın basıncı çok büyük olur ve maddenin normal hallerinden farklı olarak sıcaklıktan ziyade fermiyon sayısına bağlıdır. ⓘ
Dejenere maddenin ağır yıldızların evrimi sırasında ortaya çıktığı düşünülmektedir. Subrahmanyan Chandrasekhar tarafından beyaz cüce yıldızların dışlama ilkesi nedeniyle izin verilen maksimum kütleye sahip olduğunun gösterilmesi, yıldız evrimi teorisinde bir devrime neden olmuştur. ⓘ
Dejenere madde, evrenin nötron yıldızları ve beyaz cücelerden oluşan kısmını içerir. ⓘ
Garip
Garip madde kuark maddenin özel bir biçimidir ve genellikle yukarı, aşağı ve garip kuarklardan oluşan bir sıvı olarak düşünülür. Nötron ve protonlardan oluşan bir sıvı olan nükleer madde (kendileri de yukarı ve aşağı kuarklardan oluşur) ve sadece yukarı ve aşağı kuarklar içeren bir kuark sıvısı olan garip olmayan kuark madde ile karşılaştırılır. Yeterince yüksek yoğunlukta, garip maddenin renkli süper iletken olması beklenmektedir. Garip maddenin nötron yıldızlarının çekirdeğinde ya da daha spekülatif olarak, boyutları femtometreden (strangeletler) kilometrelere (kuark yıldızları) kadar değişebilen izole damlacıklar halinde oluştuğu varsayılmaktadır. ⓘ
İki anlam
Parçacık fiziği ve astrofizikte bu terim biri daha geniş, diğeri daha spesifik olmak üzere iki şekilde kullanılır.
- Daha geniş anlamı, kuarkların üç çeşidini içeren kuark maddesidir: yukarı, aşağı ve garip. Bu tanımda, kritik bir basınç ve buna bağlı kritik bir yoğunluk vardır ve nükleer madde (proton ve nötronlardan oluşan) bu yoğunluğun ötesinde sıkıştırıldığında, protonlar ve nötronlar kuarklara ayrışarak kuark maddeyi (muhtemelen garip madde) verir.
- Daha dar anlamı ise nükleer maddeden daha kararlı olan kuark maddesidir. Bunun gerçekleşebileceği fikri Bodmer ve Witten'in "garip madde hipotezi "dir. Bu tanımda kritik basınç sıfırdır: maddenin gerçek temel hali her zaman kuark maddesidir. Etrafımızdaki maddede gördüğümüz nükleer madde damlacıkları olan çekirdekler aslında metastabildir ve yeterli zaman (ya da doğru dış uyaran) verildiğinde garip madde damlacıklarına, yani strangeletlere bozunacaktır. ⓘ
Leptonlar
Leptonlar spin-1⁄2 olan parçacıklardır, yani fermiyonlardır. Elektrik yükleri -1 e (yüklü leptonlar) ya da 0 e'dir (nötrinolar). Kuarkların aksine, leptonlar renk yükü taşımazlar, yani güçlü etkileşimi deneyimlemezler. Leptonlar ayrıca radyoaktif bozunmaya uğrarlar, yani zayıf etkileşime maruz kalırlar. Leptonlar kütleli parçacıklardır, bu nedenle kütleçekimine maruz kalırlar. ⓘ
| isim | sembolü | Döndür | elektrik yükü (e) |
kütle (MeV/c2) |
ile karşılaştırılabilir kütle | antiparçacık | antiparçacık sembolü ⓘ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| yüklü leptonlar | |||||||
| elektron | e- |
1⁄2 | −1 | 0.5110 | 1 elektron | anti̇elektron | e+ |
| muon | μ− |
1⁄2 | −1 | 105.7 | ~ 200 elektron | antimuon | μ+ |
| tau | τ− |
1⁄2 | −1 | 1,777 | ~ 2 proton | antitau | τ+ |
| nötrinolar | |||||||
| elektron nötrino | ν e |
1⁄2 | 0 | < 0.000460 | < 1⁄1000 elektron | elektron antinötrino | ν e |
| müon nötrino | ν μ |
1⁄2 | 0 | < 0.19 | < 1⁄2 elektron | müon antinötrino | ν μ |
| tau nötrino | ν τ |
1⁄2 | 0 | < 18.2 | < 40 elektron | tau antinötrino | ν τ |
Aşamalar
Yığın halinde madde, ortam basıncına, sıcaklığa ve hacme bağlı olarak fazlar olarak bilinen birkaç farklı biçimde veya toplanma durumunda bulunabilir. Bir faz, nispeten tek tip kimyasal bileşime ve fiziksel özelliklere (yoğunluk, özgül ısı, kırılma indisi vb.) sahip bir madde biçimidir. Bu fazlar, bilinen üç fazı (katılar, sıvılar ve gazlar) ve maddenin daha egzotik hallerini (plazmalar, süper akışkanlar, süper katılar, Bose-Einstein yoğuşmaları, ... gibi) içerir. Bir akışkan sıvı, gaz veya plazma olabilir. Manyetik malzemelerin paramanyetik ve ferromanyetik fazları da vardır. Koşullar değiştikçe, madde bir fazdan diğerine geçebilir. Bu olaylara faz geçişleri denir ve termodinamik alanında incelenir. Nanomalzemelerde, yüzey alanının hacme oranının büyük ölçüde artması, yığın malzemeden tamamen farklı özellikler sergileyebilen ve herhangi bir yığın fazı tarafından iyi tanımlanamayan madde ile sonuçlanır (daha fazla ayrıntı için nanomalzemelere bakın). ⓘ
Fazlar bazen maddenin halleri olarak adlandırılır, ancak bu terim termodinamik hallerle karışıklığa yol açabilir. Örneğin, farklı basınçlarda tutulan iki gaz farklı termodinamik hallerdedir (farklı basınçlar), ancak aynı fazdadır (her ikisi de gazdır). ⓘ
Antimadde
Baryon asimetrisi. Gözlemlenebilir evrende neden antimaddeden çok daha fazla madde var?
Antimadde, sıradan maddeyi oluşturan parçacıkların antiparçacıklarından oluşan maddedir. Bir parçacık ve karşıt parçacığı birbiriyle temas ederse, ikisi de yok olur; yani Albert Einstein'ın E = mc2 denklemine uygun olarak her ikisi de eşit enerjiye sahip başka parçacıklara dönüşebilir. Bu yeni parçacıklar yüksek enerjili fotonlar (gama ışınları) ya da diğer parçacık-antiparçacık çiftleri olabilir. Ortaya çıkan parçacıklar, yok olma ürünlerinin kalan kütlesi ile orijinal parçacık-antiparçacık çiftinin kalan kütlesi arasındaki farka eşit bir kinetik enerji miktarına sahiptir ki bu genellikle oldukça büyüktür. Hangi "madde" tanımının benimsendiğine bağlı olarak, antimaddenin maddenin belirli bir alt sınıfı veya maddenin karşıtı olduğu söylenebilir. ⓘ
Antimadde, çok kısa bir süre ve yok denecek kadar küçük miktarlar dışında (radyoaktif bozunma, yıldırım veya kozmik ışınların sonucu olarak) Dünya'da doğal olarak bulunmaz. Bunun nedeni, uygun bir fizik laboratuvarının sınırları dışında Dünya'da var olan antimaddenin neredeyse anında Dünya'nın yapıldığı sıradan maddeyle karşılaşması ve yok olmasıdır. Antiparçacıklar ve bazı kararlı antimadde (antihidrojen gibi) küçük miktarlarda üretilebilir, ancak teorik özelliklerinden birkaçını test etmekten fazlasını yapmaya yetecek miktarda değildir. ⓘ
Gözlemlenebilir evrenin neden neredeyse tamamen madde (kuarklar ve leptonlar anlamında, ancak anti-kuarklar veya antileptonlar değil) olduğu ve bunun yerine başka yerlerin neredeyse tamamen antimadde (anti-kuarklar ve antileptonlar) olup olmadığı konusunda hem bilimde hem de bilim kurguda önemli spekülasyonlar vardır. Erken evrende madde ve antimaddenin eşit olarak temsil edildiği düşünülmektedir ve antimaddenin ortadan kalkması, Standart Model'den elde edilebilen CP (yük-parite) simetri ihlali adı verilen fiziksel yasalarda bir asimetri gerektirir, ancak şu anda görünür evrendeki madde ve antimaddenin görünür asimetrisi fizikteki çözülmemiş en büyük sorunlardan biridir. Bunun ortaya çıktığı olası süreçler baryogenez başlığı altında daha ayrıntılı olarak incelenmiştir. ⓘ
Biçimsel olarak, antimadde parçacıkları negatif baryon sayıları veya lepton sayıları ile tanımlanabilirken, "normal" (antimadde olmayan) madde parçacıkları pozitif baryon veya lepton sayısına sahiptir. Bu iki parçacık sınıfı birbirlerinin antiparçacık partnerleridir. ⓘ
Ekim 2017'de bilim insanları, Büyük Patlama'da eşit olarak üretilen madde ve antimaddenin özdeş olduğuna, birbirlerini tamamen yok etmeleri gerektiğine ve sonuç olarak evrenin var olmaması gerektiğine dair daha fazla kanıt bildirdiler. Bu durum, bilim insanları tarafından henüz bilinmeyen, ya evrenin ilk oluşumunda madde ve antimaddenin karşılıklı olarak tamamen yok olmasını engelleyen ya da bu iki form arasında bir dengesizliğe yol açan bir şey olması gerektiği anlamına gelmektedir. ⓘ
Korunum
Kuark-lepton anlamında bir madde miktarını (ve anti-kuark-antilepton anlamında antimaddeyi) tanımlayabilen iki nicelik, baryon sayısı ve lepton sayısı, Standart Model'de korunur. Proton ya da nötron gibi bir baryonun baryon sayısı birdir ve bir baryonda üç tane olduğu için bir kuarka 1/3 baryon sayısı verilir. Dolayısıyla, baryon sayısı ile orantılı olan kuark sayısı (eksi her biri -1/3 baryon sayısına sahip olan antikuark sayısı) ve lepton sayısı olarak adlandırılan lepton sayısı (eksi antilepton sayısı) ile ölçülen net madde miktarını herhangi bir süreçte değiştirmek neredeyse imkansızdır. Bir nükleer bombada bile baryonların (atom çekirdeklerini oluşturan protonlar ve nötronlar) hiçbiri yok edilmez - reaksiyondan önce olduğu gibi sonra da çok sayıda baryon vardır, dolayısıyla bu madde parçacıklarının hiçbiri gerçekten yok edilmez ve hatta hiçbiri madde olmayan parçacıklara (ışık fotonları veya radyasyon gibi) dönüştürülmez. Bunun yerine, bu baryonlar orijinal küçük (hidrojen) ve büyük (plütonyum vb.) çekirdeklere kıyasla nükleon başına daha az enerjiye (ve eşdeğer olarak daha az kütleye) sahip orta büyüklükteki çekirdeklere bağlandıkları için nükleer (ve belki de kromodinamik) bağlanma enerjisi açığa çıkar. Elektron-pozitron yok oluşunda bile net madde yok olmaz, çünkü yok oluştan önce sıfır net madde (sıfır toplam lepton sayısı ve baryon sayısı) vardı - bir lepton eksi bir antilepton sıfır net lepton sayısına eşittir - ve bu net madde miktarı yok oluştan sonra sıfır olarak kaldığı için değişmez. ⓘ
Kısacası, fizikte tanımlandığı şekliyle madde, baryonları ve leptonları ifade eder. Madde miktarı baryon ve lepton sayısı cinsinden tanımlanır. Baryonlar ve leptonlar yaratılabilir, ancak yaratılmalarına antibaryonlar veya antileptonlar eşlik eder; ve antibaryonlar veya antileptonlarla yok edilerek yok edilebilirler. Antibaryonlar/antileptonlar negatif baryon/lepton sayılarına sahip olduklarından, genel baryon/lepton sayıları değişmez, dolayısıyla madde korunur. Ancak, baryonlar/leptonlar ve antibaryonlar/antileptonların hepsi pozitif kütleye sahiptir, bu nedenle toplam kütle miktarı korunmaz. Ayrıca, doğal ya da yapay nükleer reaksiyonlar dışında, evrende genel olarak neredeyse hiç antimadde yoktur (bkz. baryon asimetrisi ve leptogenez), bu nedenle parçacık yok olması normal koşullarda nadirdir. ⓘ
Karanlık
Evrendeki enerjinin farklı kaynaklar tarafından katkıda bulunulan kısımlarını gösteren pasta grafiği. Sıradan madde, ışıklı madde (yıldızlar ve ışıklı gazlar ve %0,005 radyasyon) ve ışıksız madde (galaksiler arası gaz ve yaklaşık %0,1 nötrinolar ve %0,04 süper kütleli kara delikler) olarak ikiye ayrılır. Sıradan madde nadirdir. Ostriker ve Steinhardt'tan sonra modellenmiştir. Daha fazla bilgi için NASA'ya bakınız.
Kuarklar ve leptonlar tanımındaki sıradan madde, gözlemlenebilir evrenin enerjisinin yaklaşık %4'ünü oluşturmaktadır. Geri kalan enerjinin %23'ü karanlık madde ve %73'ü karanlık enerji olmak üzere egzotik formlardan kaynaklandığı teorize edilmektedir. ⓘ
.JPG)
Astrofizik ve kozmolojide karanlık madde, doğrudan gözlemlenebilecek kadar elektromanyetik radyasyon yaymayan veya yansıtmayan, ancak varlığı görünür madde üzerindeki kütleçekim etkilerinden çıkarılabilen, bileşimi bilinmeyen maddedir. Erken evrenin gözlemsel kanıtları ve Büyük Patlama teorisi, bu maddenin enerji ve kütleye sahip olmasını, ancak sıradan baryonlardan (protonlar ve nötronlar) oluşmamasını gerektirir. Yaygın olarak kabul edilen görüş, karanlık maddenin çoğunun baryonik olmayan yapıda olduğudur. Bu nedenle, henüz laboratuvarda gözlemlenmemiş parçacıklardan oluşmaktadır. Belki de bunlar Standart Model parçacıkları değil, evrenin erken evresinde çok yüksek enerjilerde oluşmuş ve hala ortalıkta dolaşan kalıntılar olan süpersimetrik parçacıklardır. ⓘ
Enerji
Kozmolojide karanlık enerji, evrenin genişleme hızını artıran itici etkinin kaynağına verilen isimdir. Kesin doğası şu anda bir gizem olsa da, etkileri vakumun kendisine enerji yoğunluğu ve basınç gibi madde benzeri özellikler atayarak makul bir şekilde modellenebilir.
Evrendeki madde yoğunluğunun %70'inin karanlık enerji şeklinde olduğu görülmektedir. Yüzde yirmi altısı karanlık maddedir. Sadece %4'ü sıradan maddedir. Yani 20'de 1'den daha azı deneysel olarak gözlemlediğimiz ya da parçacık fiziğinin standart modelinde tanımlanan maddeden oluşuyor. Diğer %96'sı hakkında, az önce bahsedilen özellikler dışında, kesinlikle hiçbir şey bilmiyoruz.
- Lee Smolin (2007), The Trouble with Physics, s. 16 ⓘ
Egzotik
Egzotik madde, karanlık madde ve karanlık enerjiyi içerebilen, ancak daha da ileri giderek bilinen madde biçimlerinin bir veya daha fazla özelliğini ihlal eden herhangi bir varsayımsal materyali de içeren bir parçacık fiziği kavramıdır. Bu tür bazı maddeler negatif kütle gibi varsayımsal özelliklere sahip olabilir. ⓘ
Tarihsel çalışma
Antik Çağ (yaklaşık MÖ 600-MÖ 322)
Eski Hindistan'da Budistler, Hindular ve Jainlerin her biri, tüm maddenin kendi içinde "ebedi, yok edilemez ve sayısız" olan atomlardan (paramanu, pudgala) oluştuğunu ve bunların belirli temel doğa yasalarına göre birleşip ayrışarak daha karmaşık maddeler oluşturduğunu veya zaman içinde değiştiğini öne süren parçacıklı bir madde teorisi geliştirmiştir. Ruha ya da ruhsuzluğa dair fikirlerini madde teorileriyle birleştirmişlerdir. Bu teorinin en güçlü geliştiricileri ve savunucuları Nyaya-Vaisheshika okuluydu ve filozof Kanada'nın (MÖ 6. yüzyıl) fikirleri en çok takip edilenlerdi. Budistler de M.Ö. 1. binyılın sonlarında Vaishashika Hindu ekolüne benzeyen ama ruh ya da vicdan içermeyen bu fikirleri geliştirmiştir. Jainler her bir atoma tat, koku, dokunma ve renk gibi nitelikler ekleyerek ruhu (jiva) dahil etmişlerdir. Hinduların ve Budistlerin erken dönem literatüründe bulunan fikirleri, atomların nemli ya da kuru olduğunu ve bu niteliğin maddeyi çimentoladığını ekleyerek genişlettiler. Ayrıca atomların zıtların çekimi nedeniyle birleştiği ve ruhun bu atomlara bağlandığı, karma kalıntısıyla dönüştüğü ve her yeniden doğuşta yer değiştirdiği olasılığını öne sürdüler. ⓘ
Avrupa'da, Sokrates öncesi düşünürler görünür dünyanın altında yatan doğaya dair spekülasyonlarda bulunmuşlardır. Thales (MÖ 624-MÖ 546) suyu dünyanın temel malzemesi olarak görmüştür. Anaximander (MÖ 610-MÖ 546) temel maddenin tamamen karaktersiz ya da sınırsız olduğunu öne sürmüştür: Sonsuz (apeiron). Anaksimenes (gelişi MÖ 585, ölümü MÖ 528) temel maddenin pneuma ya da hava olduğunu öne sürmüştür. Herakleitos (y. MÖ 535-y. MÖ 475) temel unsurun ateş olduğunu söyler gibidir, ancak belki de her şeyin değişim olduğunu kastetmektedir. Empedokles (MÖ 490-430 civarı) her şeyin yapıldığı dört unsurdan söz etmiştir: toprak, su, hava ve ateş. Bu arada Parmenides değişimin var olmadığını, Demokritos ise her şeyin atom adı verilen her şekildeki küçük, hareketsiz cisimlerden oluştuğunu savunmuştur ki bu felsefeye atomculuk adı verilir. Tüm bu kavramların derin felsefi sorunları vardı. ⓘ
Aristoteles (MÖ 384-322) bu anlayışı sağlam bir felsefi temele oturtan ilk kişidir ve bunu doğa felsefesinde, özellikle de Fizik I kitabında yapmıştır. Empedokles'in dört unsurunu makul varsayımlar olarak kabul etmiş, ancak beşinci bir unsur olan eteri de eklemiştir. Bununla birlikte, bu unsurlar Aristoteles'in zihninde temel değildir. Aksine onlar, görünür dünyadaki diğer her şey gibi, madde ve form temel ilkelerinden oluşur. ⓘ
Çünkü benim madde tanımım tam olarak şudur: her şeyin birincil alt tabakası, niteliksiz olarak kendisinden meydana geldiği ve sonuçta devam eden.
- Aristoteles, Fizik I:9:192a32 ⓘ
Aristoteles'in madde için kullandığı kelime, ὕλη (hyle ya da hule), kelimenin tam anlamıyla tahta ya da kereste, yani inşaat için "hammadde" olarak çevrilebilir. Gerçekten de Aristoteles'in madde anlayışı özünde bir şeyin yapılması ya da oluşturulmasıyla bağlantılıdır. Başka bir deyişle, erken modern dönemdeki basitçe yer kaplayan madde anlayışının aksine, Aristoteles için madde tanımsal olarak süreç veya değişimle bağlantılıdır: madde, bir töz değişiminin altında yatan şeydir. Örneğin, bir at ot yer: at otu kendine dönüştürür; ot atın içinde kalmaya devam etmez, ama onun bir yönü, yani maddesi kalır. Madde özel olarak tanımlanmaz (örneğin atomlar olarak), ancak ottan ata madde değişiminde devam eden her şeyden oluşur. Bu anlayışta madde bağımsız olarak (yani bir töz olarak) var olmaz, ancak biçimle karşılıklı olarak (yani bir "ilke" olarak) ve yalnızca değişimin altında yattığı ölçüde var olur. Madde ve form arasındaki ilişkiyi parça ve bütün arasındaki ilişkiye çok benzer şekilde düşünmek faydalı olabilir. Aristoteles'e göre madde, gerçekliğini yalnızca formdan alabilir; kendi içinde hiçbir etkinliği ya da gerçekliği yoktur, tıpkı parçaların varlıklarını yalnızca bir bütün içinde sürdürmelerine benzer şekilde (aksi takdirde bağımsız bütünler olurlardı). ⓘ
On yedinci ve on sekizinci yüzyıllar
René Descartes (1596-1650) modern madde anlayışını ortaya çıkarmıştır. Kendisi öncelikle bir coğrafyacıydı. Aristoteles gibi maddenin varlığını değişimin fiziksel gerçekliğinden çıkarmak yerine, Descartes keyfi olarak maddeyi uzayda yer kaplayan soyut, matematiksel bir töz olarak varsaymıştır:
Dolayısıyla, uzunluk, genişlik ve derinlikteki uzanım, bedensel tözün doğasını oluşturur; ve düşünce, düşünen tözün doğasını oluşturur. Ve bedene atfedilebilecek diğer her şey uzanımı varsayar ve yalnızca uzanan bir şeyin bir kipidir.
- René Descartes, Felsefenin İlkeleri ⓘ
Descartes'a göre madde yalnızca uzama özelliğine sahiptir, dolayısıyla hareket dışında tek faaliyeti diğer cisimleri dışlamaktır: bu mekanik felsefedir. Descartes, uzanımsız, düşünen töz olarak tanımladığı zihin ile düşünmeyen, uzanımlı töz olarak tanımladığı madde arasında mutlak bir ayrım yapar. Bunlar birbirinden bağımsız şeylerdir. Buna karşılık Aristoteles maddeyi ve biçimsel/oluşturucu ilkeyi, birlikte bağımsız bir şeyi (tözü) oluşturan tamamlayıcı ilkeler olarak tanımlar. Kısacası, Aristoteles maddeyi (kabaca konuşursak) şeylerin gerçekte yapıldığı şey (potansiyel bağımsız bir varoluşa sahip) olarak tanımlar, ancak Descartes maddeyi kendi içinde gerçek bağımsız bir şeye yükseltir. ⓘ
Descartes'ın ve Aristoteles'in anlayışları arasındaki süreklilik ve farklılık dikkat çekicidir. Her iki anlayışta da madde pasif ya da hareketsizdir. İlgili anlayışlarda maddenin zeka ile farklı ilişkileri vardır. Aristoteles için madde ve zeka (form) birbirine bağlı bir ilişki içinde birlikte var olurken, Descartes için madde ve zeka (zihin) tanımsal olarak karşıt, bağımsız tözlerdir. ⓘ
Descartes'ın maddenin içsel niteliklerini uzantıyla sınırlama gerekçesi onun kalıcılığıdır, ancak onun gerçek ölçütü kalıcılık değil (renk ve direnç için de aynı şekilde geçerlidir), tüm maddi özellikleri açıklamak için geometriyi kullanma arzusudur. Descartes gibi Hobbes, Boyle ve Locke da cisimlerin içsel özelliklerinin uzamayla sınırlı olduğunu ve renk gibi sözde ikincil niteliklerin yalnızca insan algısının ürünü olduğunu savunmuştur. ⓘ
Isaac Newton (1643-1727) Descartes'ın mekanik madde anlayışını miras almıştır. Newton, "Felsefede Akıl Yürütme Kuralları "nın üçüncüsünde maddenin evrensel niteliklerini "uzama, sertlik, nüfuz edilemezlik, hareketlilik ve eylemsizlik" olarak sıralar. Benzer şekilde Optik'te de Tanrı'nın maddeyi "katı, kütleli, sert, nüfuz edilemez, hareketli parçacıklar" olarak yarattığını ve bunların "...hatta asla aşınmayacak ya da parçalanmayacak kadar sert" olduğunu varsayar. Maddenin "birincil" özellikleri, renk veya tat gibi "ikincil" niteliklerin aksine matematiksel tanımlamaya uygundu. Descartes gibi Newton da ikincil niteliklerin özsel doğasını reddetti. ⓘ
Newton, Descartes'ın madde kavramını geliştirerek, maddeye kütle gibi (en azından sınırlı bir temelde) uzantıya ek olarak içsel özellikler kazandırdı. Newton'un "uzaktan" işleyen yerçekimi kuvvetini kullanması, etkileşimlerin yalnızca temas yoluyla gerçekleştiği Descartes'ın mekaniğini etkili bir şekilde reddetti. ⓘ
Newton'un yerçekimi cisimlerin bir gücü gibi görünse de, Newton'un kendisi bunun maddenin temel bir özelliği olduğunu kabul etmemiştir. Mantığı daha tutarlı bir şekilde ileriye taşıyan Joseph Priestley (1733-1804), cisimsel özelliklerin temas mekaniğini aştığını savundu: kimyasal özellikler çekim kapasitesini gerektirir. Maddenin, Descartes ve diğerlerinin sözde birincil niteliklerinin yanı sıra başka içsel güçlere de sahip olduğunu savunmuştur. ⓘ
19. ve 20. yüzyıllar
Priestley'in zamanından bu yana, maddi dünyanın bileşenleri (yani moleküller, atomlar, atom altı parçacıklar) hakkındaki bilgilerde büyük bir artış olmuştur. 19. yüzyılda, periyodik tablonun ve atom teorisinin geliştirilmesinin ardından, atomlar maddenin temel bileşenleri olarak görülmüş; atomlar molekülleri ve bileşikleri oluşturmuştur. ⓘ
Yer kaplaması ve kütleye sahip olması açısından yaygın tanım, maddenin yapısına ve hacim ve kütle ile ilgili olması gerekmeyen niteliklerine dayanan çoğu fiziksel ve kimyasal tanımla tezat oluşturmaktadır. On dokuzuncu yüzyılın başında, madde bilgisi hızlı bir evrim geçirmeye başlamıştır. ⓘ
Newtoncu görüşün bazı yönleri hala geçerliliğini koruyordu. James Clerk Maxwell Madde ve Hareket adlı eserinde maddeyi tartışmıştır. Maxwell "maddeyi" uzay ve zamandan dikkatle ayırmış ve Newton'un birinci hareket yasasında atıfta bulunulan nesne açısından tanımlamıştır. ⓘ
Ancak, Newtoncu resim hikayenin tamamı değildi. 19. yüzyılda, "madde" terimi bir dizi bilim insanı ve filozof tarafından aktif olarak tartışılmıştır ve Levere'de kısa bir taslak bulunabilir. 1870'ten kalma bir ders kitabı tartışması, maddenin atomlardan oluşan şey olduğunu öne sürmektedir:
Bilimde maddenin üç bölümü kabul edilmektedir: kütleler, moleküller ve atomlar.
Bir madde kütlesi, duyularla algılanabilen herhangi bir madde parçasıdır.
Molekül, bir cismin kimliğini kaybetmeden bölünebildiği en küçük madde parçacığıdır.
Atom, bir molekülün bölünmesiyle ortaya çıkan daha da küçük bir parçacıktır. ⓘ
Maddenin sadece kütle ve yer kaplama özelliklerine sahip olmaktan ziyade, kimyasal ve elektriksel özelliklere de sahip olduğu kabul edilmiştir. 1909 yılında ünlü fizikçi J. J. Thomson (1856-1940) "maddenin yapısı" hakkında yazmış ve madde ile elektrik yükü arasındaki olası bağlantıyla ilgilenmiştir. ⓘ
19. yüzyılın sonlarında elektronun keşfi ve 20. yüzyılın başlarında Geiger-Marsden deneyinin atom çekirdeğini keşfetmesi ve parçacık fiziğinin doğuşu ile madde, atomları oluşturmak üzere etkileşime giren elektronlar, protonlar ve nötronlardan oluşmuş olarak görülmüştür. Daha sonra, 20. yüzyılın başlarındaki "elektriksel yapı "dan, Jacob tarafından 1992 gibi erken bir tarihte şu sözlerle tanıtılan daha yeni "maddenin kuark yapısı "na kadar uzanan "maddenin yapısı" ile ilgili bütün bir literatür gelişti: "Maddenin kuark yapısını anlamak, çağdaş fizikteki en önemli ilerlemelerden biri olmuştur." Bu bağlamda fizikçiler madde alanlarından bahseder ve parçacıklardan "madde alanının bir modunun kuantum uyarımları" olarak bahsederler. Ve işte de Sabbata ve Gasperini'den bir alıntı: "Bu bağlamda "madde" kelimesiyle, etkileşimlerin kaynaklarını, yani maddenin temel bileşenleri olduğuna inanılan spinor alanlarını (kuarklar ve leptonlar gibi) veya bir gösterge teorisinde kütleyi tanıtmak için kullanılan Higgs parçacıkları gibi skaler alanları (ancak bunlar daha temel fermiyon alanlarından oluşabilir) ifade ediyoruz." ⓘ
Ancak protonlar ve nötronlar bölünemez değildir: kuarklara ayrılabilirler. Elektronlar da lepton adı verilen parçacık ailesinin bir parçasıdır. Hem kuarklar hem de leptonlar temel parçacıklardır ve 2004 yılında bir lisans metninin yazarları tarafından maddenin temel bileşenleri olarak görülmüşlerdir. ⓘ
Bu kuarklar ve leptonlar dört temel kuvvet aracılığıyla etkileşime girerler: yerçekimi, elektromanyetizma, zayıf etkileşim ve güçlü etkileşim. Parçacık fiziğinin Standart Modeli şu anda tüm fizik için en iyi açıklamadır, ancak onlarca yıllık çabalara rağmen, yerçekimi henüz kuantum düzeyinde açıklanamamaktadır; Stephen Hawking gibi teorisyenlerin hayal kırıklığına uğramasına neden olacak şekilde yalnızca klasik fizik tarafından tanımlanmaktadır (bkz. kuantum yerçekimi ve graviton). Kuarklar ve leptonlar arasındaki etkileşimler, fotonlar gibi kuvvet taşıyan parçacıkların kuarklar ve leptonlar arasında değiş tokuş edilmesinin bir sonucudur. Kuvvet taşıyan parçacıkların kendileri yapı taşı değildir. Bunun bir sonucu olarak, kütle ve enerji (şu anki bilgilerimize göre yaratılamaz ya da yok edilemez) her zaman maddeyle (fotonlar gibi madde olmayan parçacıklardan ya da hatta kinetik enerji gibi saf enerjiden yaratılabilir) ilişkilendirilemez. Kuvvet aracıları genellikle madde olarak kabul edilmez: elektrik kuvvetinin aracıları (fotonlar) enerjiye sahiptir (bkz. Planck ilişkisi) ve zayıf kuvvetin aracıları (W ve Z bozonları) kütleye sahiptir, ancak ikisi de madde olarak kabul edilmez. Bununla birlikte, bu kuantlar madde olarak kabul edilmese de, atomların, atom altı parçacıkların ve bunları içeren tüm sistemlerin toplam kütlesine katkıda bulunurlar. ⓘ
Özet
Modern madde anlayışı, temel yapı taşlarının ne olduğu ve nasıl etkileşime girdikleri konusundaki bilginin gelişmesi ışığında tarihte birçok kez rafine edilmiştir. "Madde" terimi fizikte çok çeşitli bağlamlarda kullanılmaktadır: örneğin, "yoğun madde fiziği", "temel madde", "partonik" madde, "karanlık" madde, "anti-madde", "garip" madde ve "nükleer" madde gibi. Madde ve antimadde tartışmalarında, ilk madde Alfvén tarafından koinomadde (Gk. ortak madde) olarak adlandırılmıştır. Fizikte, maddenin genel bir tanımı konusunda geniş bir fikir birliği olmadığını ve "madde" teriminin genellikle belirleyici bir değiştirici ile birlikte kullanıldığını söylemek doğru olur. ⓘ
Madde kavramının tarihi, maddeyi tanımlamak için kullanılan "temel uzunluk ölçeklerinin" tarihidir. Maddenin atomik ya da temel parçacık düzeyinde tanımlanmasına bağlı olarak farklı yapı taşları geçerlidir. Maddeyi hangi ölçekte tanımlamak istediğinize bağlı olarak, maddenin atomlar olduğu ya da maddenin hadronlar olduğu ya da maddenin leptonlar ve kuarklar olduğu şeklinde bir tanım kullanılabilir. ⓘ
Bu kuarklar ve leptonlar dört temel kuvvet aracılığıyla etkileşime girer: yerçekimi, elektromanyetizma, zayıf etkileşimler ve güçlü etkileşimler. Parçacık fiziğinin Standart Modeli şu anda tüm fizik için en iyi açıklamadır, ancak onlarca yıllık çabalara rağmen yerçekimi henüz kuantum seviyesinde açıklanamamaktadır; sadece klasik fizik tarafından tanımlanmaktadır (bkz. kuantum yerçekimi ve graviton). ⓘ
Maddenin ortak özellikleri
- Kütle
- Hacim
- Atom ve moleküller
- Eylemsizlik
- Elektirikli yapı
- Tanecikli yapı
- Boşluklu yapı ⓘ
Maddenin ayırt edici özellikleri
ⓘ| Özkütle | |||
| Özhacim | + |
||
| Çözünürlük | |||
| Özısı | |||
| Genleşme Katsayısı | |||
| Esneklik katsayısı | |||
| Kaynama noktası | |||
| Erime noktası | |||
| Yoğunlaşma noktası | |||
| Erime ısısı | |||
| Buharlaşma noktası |