Wolna encyklopedia

Ten artykuł dotyczy materii z punktu widzenia fizyki. Zobacz też: definicje wypracowane przez filozofów.

Skały jako przykład materii

Materia – w potocznym rozumieniu ogół obiektywnie istniejących przedmiotów fizycznych poznawalnych zmysłami^[1][2]. Wśród fizyków nie ma konsensusu dotyczącego definicji materii. Wielu z nich, zapewne utożsamiając pod wpływem pozytywizmu, empiriokrytycyzmu i filozofii analitycznej materię z metafizycznym "pierwotnym tworzywem" lub niepoznawalną "rzeczą samą w sobie", stara się unikać posługiwania się tym pojęciem. Wydaje się jednak, że jeśli nie expressis verbis to implicite w fizyce zawsze zakłada się obiektywne istnienie pewnej rzeczywistości i jej poznawalność zmysłami bezpośrednio, lub za pośrednictwem przyrządów badawczych. Powszechnie akceptowane są też takie cechy tej rzeczywistości jak: czasoprzestrzenny sposób istnienia, zmienność w przemianach fizycznych i podleganie prawom fizycznym.

Historia pojęcia "materia" w fizyce

Kartezjusz i Newton

Spór, co do zakresu znaczeniowego pojęcia "materia" (bo nie co do obiektywności świata rzeczywistego, przedmiotu badań fizyki, jego poznawalności i podlegania prawom) pojawił się wśród fizyków już w epoce formowania się fizyki jako nauki, t.j. w wieku XVII.

Według Kartezjusza materia, to byt rozciągły w przestrzeni, wypełniający ją całą (brak absolutnej próżni), podzielny nieskończenie, nie tylko w postaci ciał (cząstek), ale subtelnego materiału przenoszącego oddziaływania między nimi (Meteorologia 1637^[3], Zasady filozofii 1644^[4]). Koncepcja ta była nieco zbliżona do tej, jaka wynika z fizyki współczesnej, lecz czysto spekulatywna. Dlatego zwyciężyła koncepcja przedstawiona przez Izaaka Newtona: świat składa się z ciał zbudowanych z twardych i sztywnych, niepodzielnych cząstek, nieprzenikliwych (jedno miejsce może zajmować jedna tylko cząstka), rozciągłych w absolutnej przestrzeni i trwających w absolutnym czasie, zdolnych do ruchu, obdarzonych bezwładnością (masą bezwładną) i ważkością (masą ważką), rozdzielonych absolutną próżnią; oddziaływania przenoszą się na odległość (przez próżnię, bez pośrednictwa ciał materialnych), z nieskończoną prędkością (Philosophiae naturalis principia mathematica 1687^[5], Optyka 1704^[6]). Podstawowym atrybutem materii i miarą jej ilości (a w fizyce posiadanie cech mierzalnych decyduje o uznaniu danego bytu za realny), jest w tym ujęciu masa. Koncepcja ta wydawała się mieć mocne oparcie w ścisłych prawach fizyki newtonowskiej (dynamiki i teorii grawitacji) i stała się filozoficzną podstawą dalszego rozwoju mechaniki klasycznej, a następnie, po uznaniu ciepła za skutek ruchu cząstek (Herapath, Carnot), kinetycznej teorii gazów i termodynamiki. Rozwój fizyki wydawał się dowodzić nieistnienia imponderabiliów - bytów istniejących obiektywnie, rozciągłych, lecz nie posiadających masy, takich jak cieplik.

Problem eteru - ostatniego imponderabilium

Newton przyjmował, że światło jest strumieniem cząstek o właściwościach zgodnych z jego koncepcją materii (Optyka 1704^[7]). Jednak już w 1678 Huygens sformułował koncepcję światła jako fali (podłużnej) (Traktat o świetle 1690^[8]. Odkrycie przez Younga w 1801 dyfrakcji i interferencji światła (choć oba te zjawiska były obserwowane już w XVII wieku, także przez Newtona), wydawało się jednoznacznie potwierdzać tę hipotezę. Pozostawał jednak problem ośrodka, w którym fala ta się rozchodziła (nazwanego przez Huygensa eterem). Eter nie posiadał masy, wypełniał próżnię fizyczną, był niezwykle sprężysty. Co gorsza, gdy po odkryciu (Malus 1809) polaryzacji światła, okazało się ono falą poprzeczną (Young 1817), eterowi trzeba było przypisać jednocześnie doskonałą ściśliwość, jakiej nie mają nawet gazy, i sztywność charakterystyczną dla ciała stałego.

Pole - nowy obiekt fizyczny. Faraday i Maxwell

Koncepcja pola, jako formy opisu matematycznego zjawisk w ośrodkach ciągłych została sformułowana pod koniec XVIII i na początku XIX wieku (Cauchy 1822).

W 1844 Michał Faraday wysunął hipotezę, że nośnikiem oddziaływań elektrycznych i magnetycznych jest istniejący realnie byt - pole elektromagnetyczne^{[potrzebne źródło]}, wypełniające całą przestrzeń między ciałami masywnymi (atomami)^{[potrzebne źródło]}. Nawiązał przy tym do koncepcji Rudjera Boškovića (1783), odrzucając ideę oddziaływania na odległość z nieskończoną prędkością. Maxwell w 1862 opracował teorię tego pola^[9], uznając światło za jego drgania (falę elektromagnetyczną).

Teoria Faradaya - Maxwella była pierwszą teorią ujmującą rzeczywistość fizyczną w kategorie nie-newtonowskie, w pewnym sensie zwrotem w kierunku kartezjańskiej koncepcji materii, lecz już nie w formie spekulatywnej, a naukowej (zmatematyzowanej i potwierdzonej doświadczalnie - Hertz 1887).

Faraday wysunął też hipotezę istnienia pola grawitacyjnego: moc stale istnieje (...) w całej nieskończonej przestrzeni, bez względu na to, czy tam są wtórne ciała, na które mogłaby podziałać siła grawitacji; i to (...) wokół każdej istniejącej cząstki materii^[10].

Własności pola elektromagnetycznego nie dawały się sprowadzić do praw mechaniki klasycznej. To, oraz odkrycie promieniotwórczości (łamiącej prawo zachowania masy) spowodowało pod koniec XIX wieku załamanie się materializmu mechanistycznego, jako filozoficznego fundamentu fizyki i światopoglądu fizyków. Stało się jasne, że tradycyjne, newtonowskie pojęcie materii nie odpowiada rzeczywistości fizycznej. Należało albo przyjąć, że istnieją dwie zupełnie różne jakościowo (choć obie istniejące obiektywnie), formy materii: masywna (korpuskularna, substancjalna^[11]) i bezmasowa (polowa, promienista^[12]), ale jeśli masa nie jest atrybutem materii, to pojawia się problem odróżnienia nie posiadającego masy pola od np. bytów duchowych (o których też można twierdzić, że istnieją obiektywnie), albo, przyjmując newtonowskie pojęcie materii, nie zaliczać do niej pola (ale wtedy pojawia się ten sam problem). W tej sytuacji, niektórzy fizycy, jak Ostwald i Mach zanegowali całkowicie istnienie materii, jako obiektywnej rzeczywistości (energetyzm), a co najmniej użyteczność w fizyce tego pojęcia (empiriokrytycyzm).

Sam Faraday, niekiedy traktował pole jako formę materii: materia jest obecna wszędzie, i nie ma przestrzeni pośredniczącej, która by nie była przez nią zajęta (...), to co naprawdę jest materią jednego atomu, dotyka materii jego sąsiadów^[13], niekiedy ograniczał pojęcie materii do newtonowskiego, uznając je jakby za błędne: atomy są tylko centrami sił lub mocy, a nie cząstkami materii (...) substancja składa się z mocy^[14], nigdy jednak nie negował realnego istnienia atomów.

Jedność po raz pierwszy - Einstein

Z równań Maxwella wynika, że światło ma stałą prędkość względem dowolnego obserwatora, co oznacza że prawa elektrodynamiki nie są niezmiennicze względem przekształcenia Galileusza, i nie daje się wyjaśnić prawami mechaniki Newtona. W latach 1900-04 Lorentz i Poincaré opracowali nowe przekształcenie współrzędnych przestrzennych i czasu przy zmianie obserwatora (tzw. transformację Lorentza), uważali je jednak za czysto matematyczny wybieg lub, co najwyżej, szczególną właściwość pola elektromagnetycznego, co wydawało się odróżniać pole od ciał masywnych, których ruch opisywać miało nadal przekształcenie Galileusza.

W 1905 Albert Einstein zbadał konsekwencje transformacji Lorentza, uznając ją już nie za wybieg matematyczny, a za opis rzeczywistych praw fizyki, dotyczących nie tylko pola elektromagnetycznego, ale także poruszających się ciał i tworząc szczególną teorię względności - fundament mechaniki relatywistycznej.

Zgodnie ze szczególną teorią względności, każdy obiekt fizyczny (zarówno ciało, jak i pole), posiada pęd i energię, związane zależnością:

,

gdzie E₀ - energia spoczynkowa (energia w układzie odniesienia, w którym pęd obiektu jest zerowy).

Energia spoczynkowa jest powiązana z masą obiektu zależnością:

,

gdzie m₀ oznacza masę spoczynkową.

Obiekt fizyczny o niezerowej masie spoczynkowej to ciało fizyczne.

Każdemu obiektowi fizycznemu można też przypisać tzw. masę relatywistyczną , przy czym mogą istnieć obiekty o niezerowej energii (masie relatywistycznej) i niezerowym pędzie, a zerowej energii (masie) spoczynkowej, dla których i . Przykładem jest pole elektromagnetyczne, które ma zerową masę spoczynkową, lecz niezerową energię (Poynting 1884) i niezerowy pęd (ciśnienie promieniowania).

Zgodnie z ogólną teorią względności, każdy obiekt fizyczny, posiadając tensor energii-pędu, wytwarza oddziaływanie grawitacyjne i mu podlega.

Na gruncie teorii względności można jako materialne określić albo wyłącznie obiekty fizyczne posiadające niezerową masę spoczynkową (ciała fizyczne), albo wszystkie obiekty posiadające niezerowy tensor energii-pędu (wytwarzające grawitację i jej podlegające.

Jedynie w tym drugim wypadku można mówić o potwierdzeniu przez fizykę współczesną prawa zachowania materii (w postaci zasady zachowania energii). Przy przyjęciu pierwszego określenia, ze względu na niezachowanie np. w reakcjach jądrowych tradycyjnie rozumianego prawa zachowania masy, można mówić o znikaniu i pojawianiu się materii (deficyt masy, anihilacja, kreacja par).

Definicje materii

Obraz dyfrakcji elektronu, dowodzący, że materia ma również naturę falową

W klasycznej fizyce XIX wieku zakładano, że dwie cząstki materialne nie mogą się znajdować w tym samym miejscu (nieprzenikalność materii), a jej podstawową właściwością jest niezmienna masa, wytwarzająca przyciąganie grawitacyjne.

Wraz z nadejściem mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności okazało się, że:

• Materia ma zarówno cechy cząstek jak i fal (tzw. fale de Broglie'a). Z drugiej strony np. światło, tradycyjnie uważane za falę, należy opisywać także jako strumień cząstek (dualizm korpuskularno-falowy).
• Cząstki elementarne dzielą się na dwie duże rodziny (fermiony o spinie ułamkowym i bozony o spinie całkowitym)^[15]. Dwa fermiony w tym samym stanie kwantowym rzeczywiście nie mogą znaleźć się w tym samym miejscu (zakaz Pauliego)^[16]. Bozony jednak nie mają takich ograniczeń, w dodatku im więcej bozonów znajduje się w danym stanie kwantowym, tym większe jest prawdopodobieństwo, że kolejny również się tam znajdzie^[17]. Co więcej, układy fermionów mogą zachowywać się jak bozony (np. jądra helu ⁴He albo pary Coopera)^[18].
• Okazało się, że nawet w próżni w każdej chwili tworzą się i unicestwiają cząstki wirtualne, co ma obserwowalne skutki (efekt Casimira)^[19].
• Grawitacja jest związana z energią oraz pędem (ściślej: ze składowymi tzw. tensora napięć-energii)^[20]. Z masą jest jedynie związany szczególny przypadek energii, zgodnie ze słynnym równaniem E = mc².

Trzy definicje

Niektóre informacje zawarte w artykule wymagają weryfikacji. Do weryfikacji: Podrozdział zawiera kontrowersyjną interpretację zakazu Pauliego

W różnych działach fizyki i innych nauk przyrodniczych używa się kilku różnych definicji materii. W literaturze funkcjonują, obok klasycznej definicji, z masą (spoczynkową), jako atrybutem:

• materia to wszystkie obiekty, które mają różną od zera masę spoczynkową^[21]

co najmniej dwie różne definicje materii, które starają się uwzględnić dwie (jak się okazało nierównoważne) cechy definiujące materię w fizyce klasycznej:

• Bazujące na nieprzenikalności materii – materia to wszystko, co jest zbudowane z elementarnych fermionów^[22]
• Bazujące na zdolności do wytwarzania grawitacji – materia to wszystkie obiekty wytwarzające grawitację i jej podlegające^[23][24], czyli o niezerowej energii i niezerowym pędzie^[25].

Definicje te różnią się w konsekwencjach:

Zarówno pierwsza, jak i druga definicja mogą budzić wątpliwości, co do klasyfikacji niektórych obiektów fizycznych, jedynie trzecia obejmuje wszystkie obiekty (przedmioty) fizyczne. Oddziaływanie grawitacyjne jest najpowszechniejszym ze znanych oddziaływań (nie są znane obiekty fizyczne oddziałujące innym oddziaływaniem podstawowym, a nie oddziałujące grawitacyjnie), a oddziaływanie którymś z oddziaływań, wydaje się koniecznym warunkiem dostępności bezpośredniej lub pośredniej (przy udziale przyrządów badawczych) naszym zmysłom (poznanie zmysłowe).

Organizacja materii

Cząstki fundamentalne i oddziaływania podstawowe

Zobacz więcej w osobnym artykule: Cząstka elementarna.

Zobacz więcej w osobnym artykule: Oddziaływania podstawowe.

Fermiony fundamentalne

Zgodnie z Modelem Standardowym istnieje dwanaście rodzajów fermionów fundamentalnych - podstawowych elementów, z których składa się materia (wg. definicji drugiej) - podzielonych na trzy grupy zwane generacjami, po cztery cząstki w każdej. Sześć z nich to kwarki, mające ładunek koloru i ładunek elektryczny, pozostałe sześć to leptony, bez ładunku koloru. Trzy z leptonów są neutrinami (obojętnymi elektrycznie), dalsze trzy mają ładunek elektryczny -1 e: elektron, mion i taon.

W każdej generacji są dwa leptony, i dwa kwarki. Materię trwałą, która nas otacza, tworzą: elektron, kwark górny (u) oraz kwark dolny (d), wraz z neutrino elektronowym tworzące pierwszą generację. W następnych generacjach występują po cztery cząstki odpowiadające cząstkom z pierwszej generacji (lecz o innej masie). Drugą generację tworzą: mion, neutrino mionowe, kwark dziwny (s) i kwark powabny (c), zaś trzecią: taon, neutrino taonowe, kwark denny (b) i kwark szczytowy (t).

Wymienione cząstki tworzą tzw. "zwykłą materię" (koinomaterię). Każdy fermion ma swój symetryczny odpowiednik w antymaterii (antycząstkę), łącznie jest więc ich 24.

Żelazne opiłki umieszczone w pobliżu magnesu układają się wzdłuż linii sił, będących jednym z przejawów oddziaływania elektromagnetycznego

Bozony fundamentalne

Materia organizuje się w struktury w wyniku oddziaływań. Wszystkie oddziaływania obserwowane w przyrodzie są wynikiem czterech^[27] tzw. oddziaływań podstawowych. Według Modelu Standardowego oddziaływania przenoszone są przez specjalne cząstki/ kwanty pola (w mechanice klasycznej nośnik stanowiło wyłącznie pole). Oddziaływanie polega na wytworzeniu lub pochłonięciu cząstki przenoszącej oddziaływanie.

Model Standardowy przewiduje dwanaście rodzajów cząstek odpowiedzialnych za przenoszenie oddziaływań między innymi cząstkami zwanych bozonami fundamentalnymi:

• osiem gluonów (kwantów pola sił kolorowych) – przenoszą oddziaływanie silne (oddziałują nim cząstki mające ładunek koloru: kwarki i same gluony), wiążące składniki jądra atomowego
• dwa wuony i jeden zeton (kwanty pola sił słabych) – przenoszą oddziaływanie słabe (oddziałują nim lewoskrętne kwarki i leptony, oraz ich prawoskrętne antycząstki), odpowiedzialne za pewne rozpady promieniotwórcze
• foton (kwant pola elektromagnetycznego) – przenosi oddziaływanie elektromagnetyczne (oddziałują nim cząstki mające ładunek elektryczny), m.in. wiążące atomy oraz cząsteczki chemiczne

Poza Modelem Standardowym jest proponowany przez kwantową teorię grawitacji:

• grawiton (kwant pola grawitacyjnego – jako cząstka odpowiedzialna za istnienie grawitacji (oddziałują nim wszystkie obiekty fizyczne).

Oddziaływania silne i elektromagnetyczne sprawiają w szczególności, że materia organizuje się w atomy i cząsteczki. Dzięki grawitacji powstają struktury w skali astronomicznej, takie jak planety, czy galaktyki.

Skala jądra atomowego

Zobacz więcej w osobnym artykule: Jądro atomowe.

Schemat struktury protonu. Żółte "sprężyny" oznaczają oddziaływanie silne - jego siła rośnie z odległością między kwarkami (swoboda asymptotyczna).

Związane oddziaływaniem silnym (tzn. wymieniające gluony) kwarki tworzą hadrony (złożone z trzech kwarków bariony, będące fermionami złożonymi i złożone z kwarku i antykwarku mezony, będące bozonami złożonymi).

W skład zwykłej materii tzw. barionowej wchodzą, będące barionami nukleony: proton (dwa kwarki górne i jeden kwark dolny) i neutron (dwa kwarki dolne i jeden kwark górny). Kwark górny ma ładunek elektryczny +2/3 e, a kwark dolny -1/3 e. Sprawia to, że neutron ma zerowy ładunek, a proton równy +1 e.

Istnieją też bariony mające w swoim składzie kwark dziwny - hiperony. Może także istnieć tzw. materia dziwna - plazma kwarkowo-gluonowa, będąca jakby jednym olbrzymim hadronem, której składnikiem też jest kwark dziwny.

Protony i neutrony związane oddziaływaniem silnym (za pośrednictwem mezonów π) tworzą jądra atomowe. Protony odpychają się elektrostatycznie, jednak jądro utrzymywane jest w całości przez oddziaływanie silne. Działa ono tylko na niewielką odległość, dlatego jądra zbyt duże i masywne stają się nietrwałe, co prowadzi do samorzutnego ich rozpadu.

Może także istnieć tzw. materia neutronowa, będąca jakby jednym olbrzymim jądrem atomowym.

Liczba protonów w jądrze atomowym to liczba atomowa, a suma liczb protonów i neutronów to liczba masowa. Jądro atomowe o określonej liczbie protonów i neutronów nazywamy nuklidem^[28]. Nuklidy o jednakowej liczbie protonów, a różnej neutronów, to izotopy, o jednakowej liczbie neutronów, a różnej protonów, to izotony, a o jednakowej liczbie masowej, lecz różnych liczbach protonów i neutronów, to izobary.

Skala atomowa

Zobacz więcej w osobnym artykule: Atom.

Obiekt fizyczny złożony z jądra atomowego i znajdujących się w otoczeniu jądra (ale w odległości znacznie większej niż promień jądra), związanych z nim oddziaływaniem elektromagnetycznym (siłą elektrostatyczną), elektronów to atom^[29]. Nazwa ta pochodzi z greckiego ἄτομος – niepodzielny, gdyż kiedyś uważano go za najprostszy składnik materii.

Elektron w atomie może znajdować się w jednym z wielu możliwych tzw. stanów kwantowych^[30], opisywanych matematycznie^[31] tzw. funkcją falową, z której^[32] wynika m.in. prawdopodobieństwo znalezienia tej cząstki w zadanym obszarze.

Falowa natura cząstek elementarnych sprawia, że ich położenie nie jest ściśle określone. Niekiedy za Feynmanem mówi się o chmurze elektronowej (o gęstości i kształcie zależnych od stanu kwantowego), zamiast o elektronie w atomie, dla podkreślenia, że elektron powinien być traktowany raczej jako obiekt rozmyty, zgodnie z jego falową naturą.

Kształty orbitali – miejsca w których najbardziej prawdopodobne jest znalezienie elektronu

Dozwolone prawami mechaniki kwantowej stany elektronu w atomie, są opisywane przez funkcje falowe zwane orbitalami atomowymi^[33][34].

Energia elektronu, kręt (orbitalny moment pędu), spin oraz orientacja przestrzenna wektorów krętu i spinu mogą przybierać wyłącznie wartości nieciągłe (skwantowane), określone przez liczby kwantowe: n, l, m_l, s, m_s. Zakaz Pauliego sprawia, że dwa elektrony nie mogą być w stanie o tych samych wartościach wszystkich liczb kwantowych. Trzy (n, l, m_l), wyznaczają orbital, czwarta (s), jest stała dla pojedynczego elektronu, piąta (m_s), określa orientację przestrzenną spinu elektronu, któremu jest ten orbital przypisany (który "obsadza" ten orbital), i może przyjąć jedną z dwóch wartości, więc "na" jednym orbitalu mogą być co najwyżej dwa elektrony. Orbitale atomowe grupują się w tzw. powłoki elektronowe i podpowłoki elektronowe. Przypisanie elektronów poszczególnym podpowłokom to konfiguracja elektronowa atomu.

Atom, w którym liczba elektronów jest różna od liczby protonów (co powoduje posiadanie przez atom niezerowego wypadkowego ładunku elektrycznego) nazywamy jonem.

Zbiór atomów o tej samej liczbie protonów w jądrze (liczbie atomowej), to pierwiastek chemiczny. Atomy jednego pierwiastka mogą różnić się liczbą neutronów w jądrze – są to tzw. izotopy.

Skala cząsteczkowa

Schematyczny model najbardziej prawdopodobnego położenia atomów w cząsteczce sacharozy i wiązań między nimi.

Atomy mogą łączyć się w cząsteczki, których względną trwałość zapewniają wiązania chemiczne. Wiązania chemiczne powstają dzięki wymianie elektronów między atomami, która może odbywać się na dwa sposoby:^[35]

• kowalencyjny - polegający na uwspólnianiu par elektronów przez dwa lub więcej atomów; w kategoriach mechaniki kwantowej uwspólnione pary elektronów obsadzają odpowiednie orbitale molekularne
• jonowy - polegający na trwałym przeniesieniu elektronów z jednego atomu na drugi, w wyniku którego na jednym z atomów tworzy się całkowity ładunek ujemny, a na drugim dodatni; w efekcie powstaje para jonowa, która jest związana z sobą zwykłymi oddziaływaniami elektrostatycznymi.

Najmniejsze cząsteczki zawierają tylko dwa atomy (np. H₂), największe mogą liczyć nawet setki milionów atomów (np. DNA). Największe cząsteczki można już obserwować z użyciem mikroskopu optycznego.^[36]

Skala makroskopowa

Obraz ze skaningowego mikroskopu tunelowego pokazujący pojedyncze atomy złota.

Obok wiązań atomowych istnieją oddziaływania międzycząsteczkowe, w których elektrostatycznie oddziałują całe cząsteczki. Oddziaływania te starają się związać cząsteczki ze sobą w większe struktury (agregaty, krystality). Przeciwstawia się temu ciągły ruch cząsteczek, którego makroskopowym przejawem jest temperatura.

Cząsteczki chemiczne niekiedy łączą się w tzw. cząstki supramolekularne za pomocą słabych oddziaływań międzycząsteczkowych (siły Van Der Waalsa, wiązania wodorowe itp.)^[37]. Cząstki supramolekularne odgrywają kluczową rolę w funkcjonowaniu organizmów żywych. Część tego rodzaju cząstek jest na tyle duża, że da się je obserwować pod mikroskopem optycznym.

W skali makroskopowej z czterech oddziaływań obserwowalne są jedynie oddziaływania elektromagnetyczne i grawitacja, gdyż zanikają one najwolniej wraz z odległością.

Stany skupienia materii

Zobacz więcej w osobnym artykule: Stan skupienia materii.

Efektem oddziaływań międzycząsteczkowych są również tzw. stany skupienia materii. Tradycyjnie wyróżnia się trzy stany skupienia według nomenklatury z XVII w.:

• stały (ciało stałe)
• ciekły (ciecz)
• lotny (gaz)

oraz dodany w czasach nam współczesnych czwarty stan, czyli

• gaz zjonizowany (plazma).

Jeśli oddziaływania są tak małe, tak że energia ruchu cząsteczek umożliwia im dowolnie oddalenie się to ciało jest gazem. Gdy energia ruchu nie jest w stanie pokonać energii oddalania się cząsteczki od pozostałych cząsteczek, ale jest wystarczająco duża by cząsteczka mogła zmieniać położenie względem innych cząsteczek, powstaje ciecz. Gdy oddziaływania te są jeszcze silniejsze i cząsteczki nie mogą poruszać się swobodnie ruchem postępowym, powstaje ciało stałe. Stan skupienia zależy od składu chemicznego oraz warunków termodynamicznych, takich jak temperatura, czy ciśnienie.

Nowsze badania wykazały, że stały i ciekły stan skupienia mogą być realizowane na wiele różnych sposobów różniących się układem cząsteczek. Sposoby te są nazywane fazami materii.

Skala astronomiczna

Gromada galaktyk Pocisk - pośredni dowód obserwacyjny na istnienie ciemnej materii - na zdjęciu materia widzialna: gwiazdy i gaz (kolor czerwony) oraz sugerowany obszar występowania ciemnej materii (kolor niebieski), wyjaśniający nietypowe zachowanie tej gromady galaktyk.

W skali pojedynczych ciał niebieskich oddziaływanie elektromagnetyczne ma mniejsze znaczenie niż grawitacja. Istnieją jednak takie obiekty jak pulsary, w których efekty elektromagnetyczne odgrywają dużą rolę. W jeszcze większej skali oddziaływanie elektromagnetyczne przestaje się liczyć, a rolę odgrywa wyłącznie grawitacja.

Grawitacja wiąże w całość materię tworząc gwiazdy, czy planety, wiąże też ciała niebieskie w większe struktury. Niekiedy tworzą one układy planetarne, takie jak Układ Słoneczny. Istnieją też układy gwiazd nie posiadające planet, tzw. gwiazdy wielokrotne. W większej skali gwiazdy tworzą gromady. Materia nie musi jednak być skupiona w gwiazdy, czy planety. Istnieje również materia międzygwiazdowa, tworząca niekiedy mgławice. Gwiazdy (z ewentualnymi planetami) oraz materia międzyplanetarna i międzygwiazdowa tworzą galaktyki, a te (wraz z materią międzygalaktyczną) grupy galaktyk, gromady i supergromady. Wyniki badań z ostatnich lat wskazują na to, że supergromady mogą tworzyć jeszcze większe struktury - tzw. włókna i ściany, otaczające olbrzymie obszary pustki, nadając kosmosowi w największej skali kształt piany.

Obserwacje wskazują, że we wszechświecie, w skali astronomicznej, mogą występować także inne, niewidoczne odmiany materii zwane ciemną materią. Jej natura nadal stanowi zagadkę.

Przypisy

Zobacz też

• substancja (fizyka)

Źródła

• Richard P. Feynman, Robert B. Leighton: Feynmana wykłady z fizyki, tom 3 Mechanika kwantowa. Wyd. 5. PWN, 2007. ISBN 978-83-01-15011-2. 
• Bernard F. Schutz: Wstęp do ogólnej teorii względności. PWN, 2001. ISBN 83-01-11666-8. 
• Grzegorz Białkowski: Stare i nowe drogi fizyki, tom 1 - 3. WP, 1980. 
• Albert Einstein, Leopold Infeld EWOLUCJA FIZYKI