تعریف ماده در علم فیزیک

[Mohammad Aref 120,438]

ماده تعاریف زیادی دارد اما شایع ترین تعریف این است که ماده چیزیست که جرم دارد و فضا را اشغال می کند. همۀ اشیای فیزیکی که از ماده تشکیل شده اند شامل اتمها می شوند که به نوبه خود شامل الکترونها، پروتون ها و نوترون ها می باشد.

 

این ایده که ماده از ذراتی تشکیل شده است از زمان فیلسوفانی چون دموکریتوس (۴۷۰ الی ۳۲۰ قبل از میلاد) و لئوکیپوس (۴۹۰ قبل از میلاد) شکل گرفته است. با بیگ بنگ همراه باشید تا این موضوع را بررسی نماییم.

 

مثال هایی از ماده و غیر ماده

ماده از اتمها تشکیل شده است. ساده ترین اتم ایزوتوپی از هیدروژن تشکیل شده از فقط یک پروتون است که پروتیوم نام دارد. اگرچه ذرات زیر اتمی مثل پروتون ها اغلب به عنوان شکلی از ماده عنوان نمی شوند پروتیوم را می توانید یک استثنا در نظر بگیرید. (هر چند عده ای الکترون ها و نوترون ها را نیز شکلی از ماده می دانند.) در حالت کلی هر چیزی که از اتمها تشکیل شده باشد ماده است، مانند:

 

اتمها: هیدروژن، هلیوم، کالیفرنیوم، اورانیوم

مولکول ها: آب، گاز ازن، نیتروژن، ساکاروز

یون ها: یون سولفات و یون کلسیم

پلیمرها و ماکرومولکول ها: سلولز، پروتئین ها، DNA، کیتین

مخلوط ها: آب و روغن، نمک و شن، هوا

اشکال پیچیده: میز، هواپیما، توپ

 

در حالیکه پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها اجزا سازندۀ اتمها هستند خود این ذرات در دسته ای به نام فرمیون ها طبقه بندی می شوند. کوراک ها و لپتون ها معمولا شکلی از ماده در نظر گرفته نمی شوند هر چند با تعاریف خاصی از ماده مطابقت دارند. در بیشتر موارد ساده تر است که بیان کنیم ماده از اتمها تشکیل شده است.

 

پاد ماده نیز اگر چه در برخورد با ماده معمولی آن را از بین می برد اما نوعی از ماده محسوب می شود. پاد ماده به صورت طبیعی در مقادیر بسیار اندک روی زمین وجود دارد.

 

و در نهایت چیزهایی هستند که جرمی ندارند یا لااقل جرم سکونشان صفر است و ماده محسوب نمی شوند همانند: نور، صدا، گرما، افکار، رویاها، احساسات

 

فوتون ها جرم ندارند بنابراین مثالی از چیزهایی که در فیزیک ماده محسوب نمی شوند، هستند.

 

حالات ماده

ماده در حالت های مختلفی می تواند وجود داشته باشد: جامد، مایع، گاز و پلاسما. بیشتر مواد می توانند بر اساس میزان گرمائی که جذب می کنند یا از دست می دهند از حالتی به حالت دیگر تغییر کنند. حالت های دیگری از ماده نیز افزون بر ۴ حالت ذکر شده وجود دارد مانند: چگالش بوز-اینشتین، مایع های فرمیونی و پلاسمای کوارک-گلوئون.

 

فرق ماده با جرم

توجه داشته باشید در حالی که ماده جرم دارد اما این دو واژه معادل یکدیگر نیستند. ماده بقا ندارد در حالیکه جرم در سیستم های بسته بقا دارد. بر اساس تئوری نسبیت ماده در یک سیستم بسته می تواند ناپدید شود، اما جرم نه تولید و نه از بین می رود (هر چند می تواند به انرژی تبدیل شود)، به عبارت دقیق تر مجموع جرم و انرژی در یک سیستم بسته همواره ثابت است. در فیزیک یک راه تشخیص ماده از جرم این است که ماده را به عنوان ذراتی که جرم سکون دارند تعریف کنیم. اگرچه در فیزیک و شیمی ماده از خود دوگانگی موجی-ذره ای از خود بروز می دهد و بنابراین هم خصوصیات امواج و هم خصوصیات ذرات را دارد.

 

ترجمه: دکتر مصطفی رحمانی - بیگ بنگ