La materia, nell'accezione più generica, rappresenta ciò che costituisce tutti i corpi, la sostanza fisica che, assumendo forme diverse nello spazio, può essere oggetto di esperienza sensibile ed è in generale concepita come esistente indipendentemente dalla coscienza individuale. Il termine deriva dall'equivalente latino materia, ma può essere ricondotto direttamente anche al termine latino mater, che significa "madre". L'etimologia del termine suggerisce come la materia possa essere considerata il fondamento costituente di tutti i corpi e di tutte le cose: la sostanza prima di cui tutte le altre sostanze sono formate.
Questo concetto fondamentale ha subito profonde trasformazioni nel corso della storia del pensiero filosofico e scientifico, evolvendo da una visione primordiale e intuitiva a descrizioni sempre più complesse e precise, influenzate dai progressi della fisica e della chimica.
La Materia nella Storia del Pensiero
Nella storia del pensiero filosofico e scientifico, il concetto di materia fu espresso inizialmente dal greco ὕλη (hýlē), che corrisponde al latino con il significato originario di "legno di bosco". Nelle società primitive, il legno era il materiale da costruzione per eccellenza, e il termine greco passò a indicare la sostanza primordiale indifferenziata che, per l'intervento di un principio determinante variamente inteso, dà luogo alla molteplicità del mondo reale.
Concezioni Antiche e Medievali
Nell'antichità e nel medioevo era radicata la convinzione aristotelica che la materia fosse composta da quattro elementi: terra, aria, acqua e fuoco. Ciascuno di questi, avendo un diverso "peso", tende verso il proprio luogo naturale, lasciando al centro dell'universo la terra e l'acqua, e facendo invece salire verso l'alto aria e fuoco. Inoltre si credeva che la materia fosse un insieme continuo, privo completamente del vuoto (la natura aborre il vuoto, horror vacui). Una grossa disputa nella filosofia greca riguardò la possibilità che la materia potesse essere divisa indefinitamente in parti sempre più piccole. In particolare, in Aristotele, la materia è mera potenza, ed è contrapposta alla forma, che sola può renderla intellegibile. Il termine è talvolta contrapposto a spirito, oppure, per influsso della tradizione aristotelica, a forma, come evidenziato da Dante: "come forma non s’accorda Molte fïate a l’intenzion de l’arte, Perch’a risponder la materia è sorda".
L'Indagine Scientifica Moderna sulla Materia
A partire dal Seicento, l'indagine sulla natura della materia diviene gradualmente di competenza delle scienze sperimentali, in particolare fisica e chimica. Abbandonata la concezione aristotelica, la scienza moderna comincia a prospettare una descrizione unitaria della materia, che viene definita in base alle sole proprietà geometrico-meccaniche (inerzia, dimensioni, forma geometrica, capacità di esercitare forze attrattive o repulsive) dei suoi costituenti elementari (atomi, corpuscoli).
Nella seconda metà del secolo XIX, i progressi della fisica conducono a formulare teorie sulla struttura della materia in base a ipotesi sulla natura e le proprietà (divenute ormai oggetto di ricerca sperimentale diretta) delle molecole, degli atomi e delle particelle che li compongono. Di conseguenza, anche le proprietà chimiche della materia diventano spiegabili in termini fisici.
LAVOISIER E MENDELEV TRA ATOMI E MOLECOLE: NASCE LA CHIMICA MODERNA
Attualmente, con la locuzione "struttura della materia" si indica quel settore della ricerca fisica che si occupa delle proprietà della materia nelle sue diverse forme di aggregazione (gassosa, liquida, solida), mentre l'indagine sulla natura intima della materia è rivolta ai suoi costituenti più semplici, cioè le particelle elementari, e alle loro interazioni fondamentali. L'introduzione delle teorie quantistiche e relativistiche come strumenti di tale indagine ha comportato l'abbandono dei modelli intuitivi basati su presunte analogie con l'esperienza ordinaria. In particolare, la teoria della relatività, modificando il tradizionale asserto secondo il quale la massa di un sistema si conserva qualunque siano le trasformazioni da esso subite (principio di conservazione della materia o della massa) nel più generale principio di conservazione della materia-energia, sulla base dell'equivalenza tra materia ed energia (con i connessi concetti di decadimento, creazione e annichilazione delle particelle), ha radicalmente trasformato l'idea tradizionale di materia fondata sulle proprietà di stabilità e di conservazione.
Definizione di Materia nella Fisica Contemporanea
Tutto ciò che ha massa ed occupa spazio stabilmente nel tempo è solitamente definito come materia. Tuttavia, in fisica non c'è un consenso unanime sulla definizione di materia, in parte perché la nozione di "occupare spazio" è inconsistente nell'ambito della meccanica quantistica.
Questa definizione, sufficiente per la fisica macroscopica, oggetto di studio della meccanica e della termodinamica, non si adatta bene alle moderne teorie nel campo microscopico, proprie della fisica atomica e subatomica. In questi ambiti, si può invece adottare la definizione che la materia è costituita da una certa classe di particelle, che sono le più piccole e fondamentali entità fisicamente rilevabili: queste particelle sono dette fermioni e seguono il principio di esclusione di Pauli, il quale stabilisce che non più di un fermione può esistere nello stesso stato quantistico.
Fermioni e Bosoni: I Costituenti della Materia
La materia è costituita da elettroni e da aggregati di quark stabili nel tempo. Tutti questi fermioni hanno spin semi-dispari (1/2) e devono pertanto seguire il principio di esclusione di Pauli, che vieta a due fermioni di occupare lo stesso stato quantistico.
I fermioni sono particelle a spin semi-intero e costituiscono una possibile definizione per tutta la materia di cui siamo fatti. Essi sono divisi in quark e leptoni a seconda se partecipano o meno alla forza nucleare forte. I leptoni sono fermioni che non risentono della forza nucleare forte, ma interagiscono solo tramite la forza di gravità e la forza elettrodebole. Nel modello standard, sono previste tre famiglie di leptoni che comprendono una particella carica e una neutra ciascuna. L'elettrone, il muone e il tauone hanno carica elettrica negativa (positiva per le rispettive antiparticelle), mentre i relativi neutrini hanno una carica elettrica nulla.
I quark sono particelle a spin semi-intero e quindi sono dei fermioni. Hanno una carica elettrica uguale a meno un terzo di quella dell'elettrone, per quelli di tipo down, e uguale invece a due terzi per quelli di tipo up. I quark hanno anche una carica di colore, che è l'equivalente della carica elettrica per le interazioni forti.
I protoni sono costituiti da 2 quark up e 1 down (che sono detti di valenza in quanto determinano quasi tutte le caratteristiche fisiche - ma non la massa - del protone): p = (uud). I neutroni sono invece formati da 2 quark down e 1 up: n = (udd). Anche protoni e neutroni, detti collettivamente nucleoni, sono fermioni in quanto hanno spin 1/2. Tuttavia, solo il 9% della massa di un protone proviene da quelle dei quark di valenza che lo costituiscono. Il restante 91% è dovuto all'energia cinetica dei quark (32%), all'energia cinetica dei gluoni (36%) e all'energia d'interazione tra quark e gluoni (23%).
La definizione di materia ordinaria come "formata" da elettroni e nucleoni è quindi problematica, in quanto la massa dei nucleoni non è riconducibile alla somma delle masse dei quark costituenti. Inoltre, il neutrone libero non è stabile, ma al di fuori di un nucleo atomico decade con una vita media di circa 887 secondi. Anche il caso dei nuclei radioattivi presenta qualche ambiguità. La vita media dei vari radionuclidi può variare da 10⁻¹² secondi fino a 10⁹ anni. Non è chiaro quale sia il valore di vita media da considerare come discriminante per la definizione di materia. Sembra paradossale non considerare materia un nucleo instabile, ma con una vita media paragonabile all'età dell'universo (13,8 miliardi di anni).
Particelle della classe complementare, dette bosoni, costituiscono invece i campi. Essi possono quindi essere considerati gli agenti che operano gli assemblaggi dei fermioni o le loro modificazioni, interazioni e scambi di energia. Secondo la definizione data, non sono materia i bosoni di gauge: fotoni e gluoni in quanto privi di massa, i bosoni W e Z perché instabili. Analogamente, non lo sono il bosone di Higgs, che decade, e l'ipotetico gravitone, che dovrebbe avere massa nulla. Tra i leptoni, solo l'elettrone risulta stabile, e quindi costituisce la materia. Nella famiglia degli adroni, non sono materia le particelle del gruppo dei mesoni, formati da una o due coppie di quark e antiquark. Essi sono bosoni (hanno spin intero 0 o 1), non seguono il principio di esclusione di Pauli e quindi non si può dire che occupino spazio nel senso sopra menzionato. Inoltre, nessun mesone risulta stabile.
Proprietà Fondamentali della Materia
Secondo la visione classica ed intuitiva della materia, tutti gli oggetti solidi occupano uno spazio che non può essere occupato contemporaneamente da un altro oggetto. Ciò significa che la materia occupa uno spazio che non può contemporaneamente essere occupato da un'altra materia, ovvero la materia è impenetrabile (principio dell'impenetrabilità).
Se prendiamo un pezzo di gomma, lo misuriamo con una bilancia e otteniamo, ad esempio, una massa di 3 grammi, dividendo la gomma in tanti piccoli pezzi e pesando tali pezzi otterremo sempre 3 grammi. La quantità non è cambiata, in accordo con la legge di conservazione della massa. Secondo questa ipotesi si può quindi affermare che "la materia ha una massa che non cambia anche se variano la sua forma e il suo volume". La massa inerziale di una certa quantità di materia, ad esempio di un dato oggetto, che una bilancia misura per confronto con un'altra massa, rimane invariata in ogni angolo dell'universo, ed è quindi considerata una proprietà intrinseca della materia.
Viceversa, il peso è una misura della forza di gravità con cui la Terra attira verso di sé un corpo avente una massa gravitazionale; come tale, il peso di un dato corpo cambia a seconda del luogo in cui lo misuriamo - in diversi punti della Terra, nello spazio cosmico o in un altro pianeta. Il peso quindi non è una proprietà intrinseca della materia. Massa inerziale e massa gravitazionale sono due concetti distinti nella meccanica classica, ma sono state sempre trovate uguali sperimentalmente. È solo con l'avvento della relatività generale che abbiamo una teoria che interpreta la loro identità.
La densità superficiale e volumica di materia nel mondo subatomico è minore che nell'universo macroscopico. Nel mondo degli atomi le masse occupano in generale volumi maggiori (minore densità di volume) e si trovano a distanze maggiori (più bassa densità di superficie) di quelle che separano pianeti, stelle, galassie.
La materia omogenea ha composizione e proprietà uniformi. Può essere una mistura, come il vetro, un composto chimico come l'acqua, o elementare, come rame puro.
Stati e Forme di Aggregazione della Materia
Un recipiente di metallo solido contenente azoto liquido, che evapora lentamente nel gas azoto. In risposta a differenti condizioni termodinamiche come la temperatura e la pressione, la materia si presenta in diverse "fasi", le più familiari (perché sperimentate quotidianamente) sono: solida, liquida e aeriforme. Altre fasi includono il plasma, il superfluido e il condensato di Bose-Einstein. Le fasi sono a volte chiamate stati della materia, ma questo termine può creare confusione con gli stati termodinamici.
I solidi sono caratterizzati da una tendenza a conservare la loro integrità strutturale e la loro forma, al contrario di ciò che accade per liquidi e gas. Molti solidi, come le rocce, sono caratterizzati da una forte rigidità, e se le sollecitazioni esterne sono molto alte, tendono a spezzarsi e a rompersi. Altri solidi, come gomma e carta, sono caratterizzati invece da una maggiore flessibilità. In un liquido, le molecole, pur essendo vicine fra di loro, sono libere di muoversi, ma al contrario dei gas, esistono delle forze più deboli di quelle dei solidi che creano dei legami di breve durata (ad esempio, il legame a idrogeno). Un aeriforme è una sostanza composta da piccole molecole separate da grandi spazi e con una debolissima interazione reciproca.
LAVOISIER E MENDELEV TRA ATOMI E MOLECOLE: NASCE LA CHIMICA MODERNA
Tipi Specifici di Materia e Concetti Correlati
Oltre alla materia "ordinaria" che incontriamo quotidianamente, esistono diverse categorizzazioni e concetti correlati che estendono la nostra comprensione di questa entità fondamentale.
Materia Chimica
La materia chimica è la parte dell'universo composta da atomi chimici. Questa parte dell'universo non include la materia e l'energia oscura, buchi neri, stelle a neutroni e varie forme di materia degenere, che si trova ad esempio in corpi celesti come la nana bianca. Dati recenti del Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), suggeriscono che solo il 4% della massa totale dell'intero universo visibile ai nostri telescopi sia costituita da materia chimica.
Antimateria
Nelle particelle fisiche e nella chimica quantistica, l'antimateria è composta dalle rispettive antiparticelle che costituiscono la normale materia. L'antimateria non si trova naturalmente sulla Terra, eccetto quantità piccole e di breve durata (come risultato di decadimenti radioattivi o raggi cosmici). Questo perché l'antimateria che si crea fuori dai confini dei laboratori fisici incontra immediatamente materia ordinaria con cui annichilirsi. C'è una considerevole speculazione nella scienza e nei film su come mai l'intero universo sia apparentemente composto da ordinaria materia, sebbene sia possibile che altri posti siano composti interamente da antimateria.
Materia Oscura
In astrofisica, la materia oscura (calco dell’inglese dark matter) è la porzione della massa totale dell'universo che sfugge agli attuali mezzi di osservazione, e che viene anche detta massa mancante. In cosmologia, effetti a larga scala sembrano indicare la presenza di un incredibile ammontare di materia oscura che non è associata alla radiazione elettromagnetica. La teoria del Big Bang richiede che questa materia abbia energia e massa, ma non è composta né da fermioni elementari né da bosoni.
Materia Esotica
La materia esotica è un ipotetico concetto di particelle fisiche. Si riferisce a stati della materia con proprietà insolite che sfidano le attuali descrizioni o che non sono state ancora osservate sperimentalmente.
Accezioni Specifiche del Termine "Materia"
Il termine "materia" si estende anche a contesti non strettamente scientifici, assumendo significati differenziati a seconda dell'ambito di riferimento.
Sostanze Specifiche
Il termine "materia" può indicare una sostanza in sé differenziata, fornita di qualità particolari. Ad esempio, "la materia di quella statua è il marmo, il bronzo"; o "suppellettili fatte di materia preziosa". Con l'aggiunta di una speciale determinazione, il termine indica una particolare sostanza o più spesso una categoria di sostanze aventi caratteri comuni: materie infiammabili; materie coloranti; materie zuccherine; materie tessili; materie plastiche.
Materie Organiche e Biologiche
Alcune espressioni specificano la materia in relazione a contesti biologici: "materia grigia" o "materia cerebrale" (la sostanza che compone il cervello); "materia fecale" (le feci); "materia purulenta" (il pus prodotto da una piaga infetta, da un ascesso, e simili, nell'uso popolare).
Materia Prima e Materia Scrittoria
Nell'industria, la "materia prima" (spesso al plurale, materie prime) è quella fornita dalla natura, che serve di base a successive lavorazioni: "un paese ricco, povero di materie prime". Talvolta, in senso figurato nell'uso familiare, "materia prima" può indicare l'intelligenza, o anche, scherzosamente, il denaro, considerato come la più necessaria condizione di successo. La "materia scrittoria" si riferisce al supporto che serve per tracciarvi sopra, con adatto strumento, uno scritto, e cioè il papiro, la pergamena, la carta, ecc.
Materia nei Sacramenti
In contrapposizione a forma, nella teologia cattolica, la "materia dei sacramenti" è l'elemento del segno sacramentale (costituito da oggetti e parole), che acquista il suo peculiare significato in virtù della forma del sacramento.
Materia come Argomento o Disciplina
Il termine "materia" può anche riferirsi a un argomento in genere, soggetto di cui si tratta in una conversazione, in una conferenza, in un libro, ecc.: "Di nova pena mi conven far versi E dar matera al ventesimo canto" (Dante); "non divulghi, o per altro effetto o per aver materia da favellare o da ostentarsi, il segreto commessogli" (Leopardi). Si usa l'espressione "entrare in materia" per indicare l'inizio di un argomento; "svolgere, esaurire la materia". Si dice che "c'è materia per un articolo, per un libro". L'"indice delle materie" elenca gli argomenti trattati (distinto, per esempio, dall'indice dei nomi); un "catalogo per materie" è un catalogo di biblioteca dove i libri sono classificati secondo le discipline di studio (diverso dal catalogo per autori e dal catalogo per soggetti). Con riferimento alle qualità dell'argomento da trattare: "è una materia difficile, delicata, spinosa, scabrosa"; "è materia controversa". E specificando l'argomento nella locuzione "in materia di", significa "quanto a, riguardo a": "in materia di educazione, di religione, di amministrazione".
Infine, "materia" può indicare una disciplina di studio o d'insegnamento e simili: "essere pratico, esperto, padrone della materia"; "è un competente in materia"; "non è materia di mia competenza"; "questi è un poeta alto, profondo, che tratta di materie nobili" (G. Gozzi). Nell'ordinamento scolastico e universitario: "materie facoltative e obbligatorie"; "materie d'esame"; "materie letterarie, materie scientifiche"; "essere promosso in tutte le materie". La "materia medica" era un insegnamento (oggi corrispondente in gran parte alla farmacologia), compreso nella «medicina pratica» nelle università italiane dal secolo XVI in poi, detto più spesso "lettura dei semplici".
I diminutivi "materìola", "materìuccia" e il peggiorativo "materìaccia" sono poco comuni e si riferiscono quasi esclusivamente alla materia intesa come sostanza fisica.