Matéria é tudo que ocupa espaço e
possui massa de repouso (ou massa invariante). É
um termo geral para a substância da qual todos
os objetos físicos consistem. Tipicamente, a
matéria inclui átomos e outras partículas que
possuem massa.
A massa é dita por alguns como sendo a
quantidade de matéria em um objeto e volume é a
quantidade de espaço ocupado por um objeto, mas
esta definição confunde massa com matéria, que
não são a mesma coisa.
Diferentes campos usam o
termo de maneiras diferentes e algumas vezes
incompatíveis; não há um único significado
científico que seja consenso para a palavra
"matéria", apesar do termo "massa" ser bem
definido.
Contrariamente à visão
anterior que igualava massa e matéria, uma das
principais dificuldades em definir matéria
consiste em decidir quais formas de energia
(todas as quais possuem massa) não são matéria.
Em geral, partículas sem massa como fótons e
glúons não são considerados formas de matéria,
apesar de que quando estas partículas estão
aprisionadas em sistemas em repouso, elas
contribuem com energia e massa para eles.
Por exemplo, quase 99% de
toda a massa da matéria atômica comum consiste
da massa associada com a energia contribuída
pelos glúons e a energia cinética dos quarks que
fazem os nucleons. Vendo desta forma, a maior
parte da "matéria" ordinária consiste de massa
que não é contribuída por partículas de matéria.
Em grande parte da
história das ciências naturais as pessoas
contemplaram a natureza exata da matéria. A
ideia de que a matéria era feita de blocos de
construção discretos, a assim chamada teoria
particulada da matéria, foi proposta primeiro
pelos filósofos gregos Leucipo (~490 AC) e
Demócrito (~470-380 AC). Com o passar do tempo
foi descoberta uma estrutura cada vez mais fina
para a matéria: objetos são feitos de moléculas,
moléculas consistem-se de átomos, que por sua
vez consistem-se de partículas subatômicas como
os prótons e elétrons.
Normalmente se diz que a
matéria existe em quatro estados (ou fases):
sólido, líquido, gás e plasma. Entretanto,
avanços nas técnicas experimentais descobriram
outras fases, que antes eram apenas teóricas,
como o Condensado Bose-Einstein e o Condensado
fermiônico. Um foco na visão da matéria
partícula-elementar também leva a novas fases da
matéria, como o plasma de quarks-glúons.
Na Física e Química, a matéria exibe
propriedades tanto de onda quanto partícula, a
assim chamada Dualidade onda-partícula.
Na cosmologia, extensões da expressão matéria
são usadas para incluir a matéria escura e a
energia escura, conceitos introduzidos para
explicar alguns fenômenos estranhos do Universo
observável, como a curva de rotação galáctica.
Estas formas exóticas de "matéria" não
referem-se à matéria como "blocos de
construção", mas a formas atualmente mal
compreendidas de massa e energia.
Propriedades da matéria
Inércia: É a tendência do
corpo de manter-se em repouso ou em movimento,
se não existirem forças atuando sobre ele.
Massa: É a propriedade relacionada com a
quantidade de matéria existentes em um corpo.
Essa definição é simplificada.Em Física,veremos
que massa de um corpo está relacionada à medida
de sua inércia: quanto maior a massa de um
corpo, maior a sua inércia.
Extensão: É a propriedade
da matéria de ocupar um lugar no espaço, que é
medido pelo seu volume.
Impenetrabilidade: Dois
corpos não podem ocupar um mesmo lugar no espaço
ao mesmo tempo.
Divisibilidade: Toda
matéria pode ser dividida em partes cada vez
menores, até certo limite.
Compressibilidade e
elasticidade (expansibilidade): A propriedade da
matéria de ser comprimida, isto é, ter seu
volume reduzido pela ação de uma força, é
chamada compressibilidade. Quando a força que
provocou a compressão deixa de ser aplicada, a
matéria volta ao seu volume inicial graças à
propriedade chamada elasticidade. A
compressibilidade e a elasticidade geralmente
são imperceptíveis em corpos nos estados sólido
e líquido.
Descontinuidade: Toda
matéria é descontínua, por mais compacta que
pareça, devido à existência de espaços vazios
entre as menores partículas que caracterizam a
matéria.
Desenvolvimento histórico
Origens
Os pré-socráticos estavam entre os primeiros de
que se tem registro a especular sobre a natureza
do mundo visível. Tales (c. 624 AC-c. 546 AC)
acreditava que a água era o material fundamental
do mundo. Para Anaximandro (c. 610 AC-c. 546
AC), o material básico era um todo sem
características ou limites: o infinito
(Apeiron).
Anaximenes de Mileto
(ensinou a partir de 585 AC, faleceu em 528 AC)
postulava que o material básico era o pneuma ou
ar. Heráclito (c. 535 AC-c. 475 AC) parece ter
dito que o elemento básico era o fogo, apesar de
que talvez ele quisesse com isto dar a entender
que tudo estava em mudança. Empédocles (c.
490-430 AC) falou dos quatro elementos dos quais
tudo era feito: terra, água, ar e fogo.
Enquanto isto, Parmênides
argumentava que as mudanças não existiam, e
Demócrito alegava que tudo era composto de
corpos minúsculos e inertes de todas as formas
chamados de átomos, uma filosofia chamada
atomismo. Todas estas noções possuem sérios
problemas filosóficos.
Aristóteles (384 AC - 322
AC) foi o primeiro a criar um conceito com uma
base filosófica sólida, que ele fez em sua
filosofia natural, especialmente em Física,
livro I. Ele adotou como suposição razoável os
quatro elementos de Empédocles, mas acrescentou
um quinto, o éter. Entretanto, estes elementos
não são básicos na ideia de Aristóteles. Ao
invés disso eles, como tudo no mundo visível,
são compostos dos princípios básicos matéria e
forma.
A palavra que Aristóteles usa para matéria, ὑλη
(hyle ou hule), pode ser literalmente traduzida
para madeira, ou seja, "matéria prima" para
construção. De fato, a concepção de Aristóteles
de matéria está intrinsecamente ligado a algo
sendo feito ou composto. Em outras palavras, em
contraste com a concepção moderna da matéria
como simplesmente ocupando espaço, a matéria de
Aristóteles é ligada por definição a processo ou
mudança: a matéria é o que sofre uma mudança de
substância.
Por exemplo, um cavalo
come grama: o cavalo muda a grama para si; a
grama como tal não persiste no cavalo, mas algum
aspecto dela - sua matéria - persiste.
A matéria não é especificamente descrita (por
exemplo, como átomos), mas consiste de qualquer
coisa que persista na mudança da substância de
grama para cavalo. A matéria, nesta forma de
compreender, não existe de forma independente
(isto é, como uma substância), mas existe
interdependente (isto é, como um "princípio")
com forma e somente na medida em que sofre
mudanças. Pode ser útil conceber o
relacionamento de matéria e forma como muito
similar ao relacionamento entre as partes e o
todo.
Para Aristóteles, a matéria como tal só pode
receber realidade da forma; ela não possui
atividade ou realidade por si, semelhante à
maneira que as partes como tal só tem sua
existência dentro de um todo (de outra forma
elas seriam todos independentes).
Início da Modernidade
René Descartes (1596-1650) originou o conceito
moderno de matéria. Ele era um geômetra,
primariamente. Ao invés de fazer como
Aristóteles, e deduzir a existência da matéria
da realidade física da mudança, Descartes
arbitrariamente postulou que a matéria era uma
substância matemática, abstrata, que ocupa
espaço:
Portanto, extensão em
comprimento, largura, e profundidade, constituem
a natureza da substância dos corpos; e o
pensamento constitui a natureza da substância do
pensamento. E tudo o mais que pode ser atribuído
aos corpos pressupõe extensão, e é só uma forma
do que é estendido
René Descartes, Principles of Philosophy
Para Descartes, a matéria só possuía a
propriedade da extensão, então sua única
atividade além da locomoção é excluir outros
corpos[18] : esta é a filosofia mecanicista.
Descartes criou uma distinção absoluta
entremente, que ele definiu como uma substância
sem extensão, pensante, e matéria, que ele
definiu como uma substância não-pensante,
estendida.
Elas eram coisas
independentes. Em contraste, Aristóteles definiu
a matéria e ao princípio formal/de formação como
princípios complementares que juntos compõe a
substância de algo independente. Em resumo,
Aristóteles definiu a matéria (de forma simples)
como do que as coisas são feitas (com um
potencial para existência independentes), mas
Descartes eleva a matéria para uma coisa
independente em si.
A continuidade e diferença entre as concepções
de Descartes e Aristóteles é digna de nota. Em
ambas concepções, a matéria é passiva ou inerte.
Nas respectivas concepções a matéria tem
diferentes relacionamentos com a inteligência.
Para Aristóteles, a matéria e a inteligência
(forma) existem juntos em um relacionamento
independente, enquanto para Descartes, matéria e
inteligência (mente) são definitivamente
substâncias opostas, independentes.
A justificativa de Descartes para restringir as
qualidades inerentes da matéria à extensão é sua
permanência, mas seu critério real é não é a
permanência (que podem ser aplicados também à
cor e resistência), mas seu desejo de usar a
geometria para explicar todas as propriedades
materiais. Da mesma forma que Descartes, Hobbes,
Boyle, e Locke argumentaram que as proprieadades
inerentes dos corpos eram limitadas à extensão,
e as assim chamadas qualidades secundárias, como
cor, eram apenas produtos da percepção humana.
Isaac Newton (1643-1727) herdou o conceito
mecanicista de matéria de Descartes. Na terceira
de suas "Rules of Reasoning in Philosophy"
("Regras de Raciocínio em Filosofia"), Newton
lista as qualidades universal das matérias como
"extensão, dureza, impenetrabilidade,
mobilidade, e inércia". De forma similar, em
Óptica ele conjetura que Deus criou a matéria
como "partículas sólidas, massivas, duras,
impenetráveis, móveis", que eram "tão duras que
nunca se gastam ou quebram em pedaços".
As propriedades "primárias" da matéria eram
passíveis de descrição matemática, diferente das
qualidades "secundárias", como cor ou sabor. Da
mesma forma que Descartes, Newton rejeitou a
natureza essencial das qualidades secundárias.
Newton desenvolveu a noção de Descartes da
matéria ao atribuir à matéria propriedades
intrínsecas além da extensão (pelo menos de
forma limitada), como a massa. O uso de Newton
da força gravitacional, que agia "à uma
distância" efetivamente repudiava a mecânica de
Descartes, nas quais as interações acontecem
exclusivamente por contato.
Apesar da gravidade de
Newton parecer um poder dos corpos, o próprio
Newton não a admitia como sendo uma propriedade
essencial da matéria. Avançando a lógica de
forma mais consistente, Joseph Priestley alegou
que as propriedades corpóreas transcendem
contatos mecânicos: as propriedades químicas
exigem a capacidade de atração. Ele argumentou
que a matéria tem outros poderes inerentes além
das assim chamadas qualidades primárias de
Descartes, e assim por diante.
Desde os tempos de
Priestley, aconteceu uma expansão maciça no
conhecimento dos constituintes do mundo material
(moléculas, átomos, partículas subatômicas), mas
não houve avanço na definição de matéria. Em vez
disso, a questão tem sido posta de lado. Noam
Chomsky resume a situação que prevaleceu desde
aquela época:
Qual é o conceito de corpo
que emergiu finalmente? [...] A resposta é que
não há um conceito claro e definitivo de corpo.
[...] Ao invés, o mundo material é o que
descobrimos que ele é, com as propriedades que
devemos assumir para ter uma teoria
explanatória.
Qualquer teoria
inteligível que oferece uma explicação genuína e
que pode ser assimilada pelas noções básicas da
física se torna parte da teoria do mundo
material, parte de nosso entendimento de corpo.
Se temos uma teoria destas em algum domínio,
procuramos assumir ela nas noções fundamentais
da física, talvez modificando estas noções
conforme executamos esta empresa.
– Noam Chomsky, 'Language and problems of
knowledge: the Managua lectures, p. 144
Então a matéria é o que
quer que a física estude e o objeto de estudo da
física é a matéria: não há uma definição geral
independente da matéria, à parte de sua
adequação à metodologia de medição e
experimentação controlada. Em resumo, os limites
entre o que constitui matéria e tudo o mais
continua tão vago quanto o problema da
demarcação de delimitar a ciência de tudo o
mais.
Fim do século 19 e início
do século 20
No século XIX, seguindo o desenvolvimento da
tabela periódica, e a teoria atômica, os átomos
eram vistos como os constituintes fundamentais
da matéria. Os átomos formavam moléculas e
compostos.
A definição comum em termos de ocupar espaço e
ter massa estavam em contraste com a maioria das
definições físicas e químicas da matéria, que se
baseavam nas estruturas e atributos não
necessariamente relacionados a volume e massa.
No final do século XIX, o conhecimento da
matéria começou uma evolução rápida.
Alguns aspectos da visão
newtoniana ainda persistiam. James Clerk Maxwell
discutiu a matéria em seu trabalho Mater and
Motion (Matéria e Movimento). Ele cuidadosamente
separou "matéria" de espaço e tempo, e define a
mesma em termos do objeto referido na primeira
lei de Newton.
Entretanto, a imagem
Newtoniana não era a história toda. No século
XIX, a expressão "matéria" foi discutida
ativamente por cientistas e filósofos, e um
breve sumário pode ser encontrado em Levere. Uma
discussão de 1870 sugere que a matéria é feita
de átomos:
Três divisões da matéria
são reconhecidas na ciência: massas, moléculas e
átomos.
Uma Massa de matéria é
qualquer porção de matéria apreciável 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.
Em vez de apenas ter
atributos de massa e ocupar espaço, a matéria
também recebia propriedades químicas e
elétricas. O físico famoso J. J. Thomson
escreveu sobre a "constituição da matéria"
estava interessado em uma possível conexão entre
matéria e carga elétrica.
Acontecimentos recentes
Há uma literatura imensa
acerca da "estrutura da matéria", indo da
"estrutura elétrica" no início do século XX, a
mais recente "estrutura de quarks da matéria",
introduzida hoje com a observação: A compreensão
da estrutura de quarks da matéria é um dos mais
importantes avanços na física contemporânea.
[necessário esclarecer] Nesta conexão, os
físicos falam de campos de matéria, e falam de
partículas como "excitações quânticas de um modo
do campo da matéria".
E aqui está uma frase de Sabbata e Gasperini:
"Com a palavra "matéria" nós denotamos, neste
contexto, a fonte das interações, que são campos
spinor (como quarks e léptons), que se acredita
serem os componentes fundamentais da matéria, ou
campos escalares, como a bóson de Higgs, que são
usadas para introduzir a massa em uma teoria de
gauge (e que, entretanto, pode ser composta de
campos férmion mais fundamentais)."
A concepção moderna de matéria foi refinada
várias vezes na história, à luz do incremento no
conhecimento do quê são os blocos básicos, e
como eles interagem.
No final do século XIX com a descoberta do
elétron, e no início do século XX, com a
descoberta do núcleo atômico, e o nascimento da
física de partículas, a matéria passou a ser
vista como feita de elétrons, prótons e nêutrons
interagindo para formar átomos. Hoje, sabemos
que mesmo os prótons e nêutrons não são
indivisíveis, e podem ser divididos em quarks,
enquanto os elétrons são parte de uma família
chamada léptons. Ambos os quarks e léptons são
partícula elementars, e estão sendo atualmente
vistas como constituintes fundamentais da
matéria.
Estes quarks e léptons interagem através de
quatro forças fundamentais: gravidade,
eletromagnetismo, interação fraca, e interação
forte. O Modelo Padrão de física de partículas é
a melhor explicação atualmente para toda a
física, mas apesar de décadas de trabalho, a
gravidade ainda não pode ser explicada no nível
quântico; ela só é descrita pela física clássica
(veja gravidade quântica e gráviton).
As interações entre quarks e léptons são o
resultado de uma troca de partículas portadoras
de força (como os fótons) entre os quarks e
léptons. As partículas portadoras de força não
são elas mesmas blocos de construção. Como
consequência, massa e energia (que não podem ser
criada ou destruída) não podem sempre
relacionadas com a matéria (que pode ser criada
de partículas não-materiais como fótons, ou
mesmo de energia pura, como a energia cinética).
Portadores de força
normalmente não são considerados matéria: Os
portadores da força elétrica (fótons) possuem
energia (veja a relação de Planck) e os
portadores da força fraca (bósons W e Z) são
maciços, mas nenhum deles é considerado matéria.
Entretanto, enquanto estas partículas não são
considerados matérias, eles contribuem com a
massa total dos átomos, partículas subatômicas e
todos os sistemas que os contém.
Resumo
A expressão "matéria" é usada em física em uma
variedade desconcertante de contextos: por
exemplo, há quem se refira a "física da matéria
condensada", "matéria elementar",matéria
"partônica", "matéria escura", "antimatéria",
"matéria estranha" e "matéria nuclear". Em
discussões sobre matéria e antimatéria, a
matéria normal tem sido referida por Alfvén como
koinomatéria. É razoável dizer que na física não
há um consenso para uma definição geral de
matéria, e o termo "matéria" é normalmente usado
em conjunto com um modificador que especifica do
que se está falando.
Definições comuns
A definição comum de matéria é tudo que tenha
massa e volume (ocupa espaço). Por exemplo,
diz-se que um carro é feito de matéria, já que
ele ocupa espaço, e tem massa.
A observação de que a matéria ocupa espaço vem
da antiguidade. Entretanto, uma explicação para
o porquê da matéria ocupar espaço é recente, e o
argumento é que se trata de um resultado do
princípio de exclusão de Pauli.
Dois exemplos particulares
onde o princípio de exclusão claramente
relaciona a matéria com a ocupação de espaço são
as estrelas anãs e as estrelas de nêutrons,
discutidas mais adiante.
Relatividade
No contexto da teoria da relatividade, a massa
não é uma quantidade aditiva. Assim, na
relatividade uma visão mais geral é usada que
não é massa, mas o tensor de energia-momento que
quantifica a quantidade de matéria.
A matéria portanto é qualquer coisa que
contribui para o momento-energia de um sistema,
ou seja, qualquer coisa que não seja puramente
gravidade.
Esta visão é normalmente
usada em campos que lidam com a relatividade
geral, como a cosmologia.
Definições de átomos e
moléculas
Uma definição de "matéria"
que é baseada em sua estrutura física e química
é: matéria é feita de átomos e moléculas. como
exemplo, as moléculas de ácido
desoxirribonucleico (DNA) são matéria usando
esta definição por que são feitas de átomos.
Esta definição pode ser
estendida para incluir átomos com carga e
moléculas com carga, desta forma incluindo
plasmas (gases de íons) e eletrólitos (soluções
iônicas), que obviamente não estão incluídas na
definição de átomos e moléculas.
Alternativamente, a definição de prótons,
nêutrons e elétrons pode ser adotada.
Definição de prótons,
nêutrons e elétrons
Uma definição de "matéria"
em uma escala menor que os átomos e moléculas
pode ser dista assim: a matéria é feita do que
os átomos e moléculas são feitos, significando
qualquer coisa feita de prótons com carga
positiva, nêutrons com carga neutra, e elétrons
com carga negativa.
Esta definição vai além da
definição de átomos e moléculas, mas não inclui
substâncias feitas destes blocos de construção
que não são simples átomos ou moléculas, por
exemplo a matéria de anãs brancas - tipicamente
núcleos de carbono e oxigênio em um oceano de
elétrons degenerados. Em uma escala
microscópica, as "partículas" constituintes da
matéria como prótons, nêutrons e elétrons
obedecem as leis da mecânica quântica, e exibem
uma dualidade onda-partícula. Em um nível mais
profundo, os prótons e nêutrons são feitos de
quarks e campos de força (glúons) que unem eles.
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14. Discutidos por Aristóteles em Física, esp.
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15. Para uma boa explicação e elaboração, veja
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18. apesar de mesmo esta propriedade parecer
não-essencial (Rene Descartes, Principles of
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19. R. Descartes. Principles of Philosophy I.
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27. McGuire and Heimann, 113.
28. No entanto, permanece verdade que a
matematização tida como requisito para uma
teoria física moderna traz em si sua própria
noção implícita de matéria, que é bastante
parecida com a de Descartes, apesar de ter sido
demonstrada a vacuidade das noções do mesmo.
29. M. Wenham. Understanding Primary Science:
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37. A história do conceito da matéria é uma
história da escala de comprimentos fundamental
usada para definir matéria. Diferentes blocos de
construção são aplicados dependendo se você
define a matéria em um nível atômico ou de
partículas elementares. Alguns podem usar a
definição que a matéria são os átomos, ou que a
matéria é hádrons, ou que a matéria é léptons e
quarks dependendo da escala em que se deseja
definir matéria. B. Povh, K. Rith, C. Scholz, F.
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