miniaturadeimagen|239x239px|El hidrógeno en estado plasmático es la materia ordinaria más abundante del universo En la física clásica y la química general, la materia se define como todo aquello que posee una masa, ocupa un volumen y es capaz de interactuar gravitatoriamente con otros objetos. Todos los objetos cotidianos que se pueden tocar están compuestos, en última instancia, de átomos, que a su vez están formados por partículas subatómicas que interactúan entre sí. Tanto en el uso cotidiano como en el científico, «materia» incluye generalmente los átomos y todo lo que esté formado por ellos, así como cualquier partícula (o combinación de partículas) que actúe como si tuviera masa en reposo y volumen.
Sin embargo, en el uso moderno se considera materia (en oposición al espacio-tiempo) a cualquier campo cuántico, formado por partículas másicas o no-másicas como los fotones que pueden interactuar con otras formas de materia, y con los detectores e instrumentos físicos usados para su medición. Para algunos físicos cualquier tipo de entidad física capaz de interaccionar gravitatoriamente es materia; en esa acepción la materia incluiría a los fotones e incluso a la materia oscura.
Introducción La materia está formada por átomos que existen en varios estados (también conocidos como fases). Entre ellos se encuentran las fases clásicas de la vida cotidiana, como el sólido, el líquido y el gas —por ejemplo, el agua existe en forma de hielo, agua líquida y vapor gaseoso—, pero también son posibles otros estados, como el plasma, los condensados de Bose‑Einstein, los condensados fermiónicos y el plasma de cuarks‑gluones. Normalmente, los átomos pueden imaginarse como un núcleo de protones y neutrones y una «nube» circundante de electrones en órbita que ocupan espacio. Sin embargo, esto solo es en parte correcto porque las partículas subatómicas y sus propiedades se rigen por su naturaleza cuántica, lo que significa que no actúan como parecen actuar los objetos cotidianos; pueden actuar como ondas y como partículas. No tienen tamaños ni posiciones bien definidos. En el Modelo estándar de la física de partículas, la materia no es un concepto fundamental porque los constituyentes elementales de los átomos son entidades cuánticas que no tienen un «tamaño» o «volumen» inherente en ningún sentido ordinario de la palabra. Debido al principio de exclusión de Pauli y a otras interacciones fundamentales, algunas «partículas puntuales» conocidas como fermiones (cuarks, leptones), y muchos compuestos y átomos, se ven efectivamente obligados a mantener una distancia con otras partículas en condiciones cotidianas; esto crea la propiedad de la materia que nos aparece como materia que ocupa espacio. Durante gran parte de la historia de las ciencias naturales se ha contemplado la naturaleza exacta de la materia. La idea de que la materia estaba formada por bloques de construcción discretos, la llamada «teoría de las partículas de la materia», apareció de forma independiente en la antigua Grecia y en la antigua India en el milenio a.C. Entre los primeros filósofos que propusieron la «teoría de las partículas de la materia» se encuentran Kanada (hacia el o posterior), Leucipo () y Demócrito ().
Diferencia entre materia y masa La materia no debe confundirse con la masa, ya que ambas no son lo mismo en la física moderna. La materia es un término general que describe cualquier «entidad física» que se distribuye por el espacio-tiempo y tiene asociada una cierta cantidad de energía. Por el contrario, la masa no es una sustancia, sino una propiedad de la materia o un sistema; dentro de la física se definen varios tipos de masa, que incluyen, entre otros, la masa en reposo, la masa inercial, la masa relativista y la masa‑energía.
Hasta el se pensó que la masa era una medida válida para la cantidad de materia, pero la teoría cuántica de campos, al aclarar el origen del masa, puso en duda esta idea. Así, un protón es 1836 veces más pesado que un electrón, pero en realidad no es que un protón tenga 1836 veces más de algo que el electrón, sino que la intensidad del acoplamiento con el campo de Higgs del electrón y los quarks que forman los protones y neutrones explican una parte de la diferencia de masa, y la cromodinámica cuántica al explicar la estructura interna de protones y neutrones aclara por qué estos son más pesados. Pero en ningún caso se trata de una mayor cantidad de algo.
Mientras que hay diferentes opiniones sobre lo que debe considerarse la materia, la masa de un cuerpo admite una definición sencilla en términos mecánicos. Otra diferencia es que la materia tiene un «opuesto» llamado antimateria, pero la masa no tiene opuesto, es decir, no existe la «antimasa» o masa negativa, por lo que se sabe, aunque los científicos discuten el concepto. La antimateria tiene la misma propiedad de masa (es decir, positiva) que su homóloga la materia normal.
Los distintos campos de la ciencia utilizan el término «materia» de formas diferentes, y a veces incompatibles. Algunas de estas formas se basan en significados históricos poco precisos, de cuando no había razón para distinguir la masa de la simple cantidad de materia. No existe un único significado científico de «materia» acordado universalmente. Científicamente, el término «masa» está bien definido, pero «materia» puede definirse de varias maneras. A veces, en física, la «materia» se equipara simplemente a las partículas que presentan masa en reposo (es decir, que no pueden viajar a la velocidad de la luz), como los cuarks y los leptones. Sin embargo, en la física y la química, la materia presenta propiedades ondulatorias y de partículas, la llamada dualidad onda‑corpúsculo (también llamada «dualidad onda‑partícula»).
Definición
Basada en los átomos thumb|right|375px|Distribución estimada de materia y energía oscura en el Universo, en la actualidad y en los momentos iniciales del universo
Una definición de «materia» basada en su estructura física y química es: la materia está formada por átomos. Esta materia atómica también se denomina a veces materia ordinaria. Por ejemplo, las moléculas de ácido desoxirribonucleico (ADN) son materia según esta definición porque están formadas por átomos. Esta definición puede ampliarse para incluir los átomos y las moléculas cargadas, para incluir los plasmas (gases de iones) y los electrolitos (soluciones iónicas), que no se incluyen en la definición de átomos. También se puede adoptar la definición de protones, neutrones y electrones. Hasta el primer tercio del se creyó que la mayor parte del universo estaba formado por materia ordinaria y fotones. Sin embargo, el descubrimiento de la materia oscura reveló que la mayor parte de la materia de las galaxias era algo que no parecía ser materia ordinaria, formada por átomos. El descubrimiento de la expansión acelerada del universo, hacia 1998, mostró que en realidad también existía otra forma exótica de materia llamada energía oscura (el nombre es confuso, pero se presupone que podría ser un campo de materia). Así las cosas, hacia 2013 las mediciones detalladas del satélite Planck Surveyor mostraron que la materia ordinaria parecía ser solo alrededor del 5% de toda la materia del universo. Mientras que la composición exacta de la materia oscura y la energía oscura se desconoce, su efecto sobre la rotación de las galaxias y la expansión del universo permite estimar que la materia oscura supone cerca de un 27% de todo el universo y la energía oscura cerca de un 68% del mismo.
Basada en protones, neutrones y electrones La definición de «materia» es más fina que la de los átomos y las moléculas: la materia está compuesta por lo que forman los átomos y las moléculas, es decir, todo lo que esté formado por protones con carga positiva, neutrones neutros y electrones con carga negativa. Sin embargo, esta definición va más allá de los átomos y las moléculas, ya que incluye sustancias hechas a partir de estos bloques de construcción que no son simplemente átomos o moléculas, por ejemplo los haces de electrones de un viejo televisor de tubo de rayos catódicos o la materia de las enanas blancas, normalmente núcleos de carbono y oxígeno en un mar de electrones degenerados. A nivel microscópico, las «partículas» constitutivas de la materia, como los protones, los neutrones y los electrones, obedecen a las leyes de la mecánica cuántica y presentan la dualidad onda‑corpúsculo. A un nivel aún más profundo, los protones y los neutrones están formados por cuarks y los campos de fuerza (gluones) que los unen, lo que lleva a la siguiente definición.
Basada en cuarks y leptones miniaturadeimagen|324x324px|Bajo la «definición basada en quarks y leptones», las partículas elementales y compuestas formados de cuarks (en púrpura) y leptones (en verde) serían la «materia»; mientras los bosones «izquierda» (en rojo) no serían materia. Sin embargo, la energía de interacción inherente a partículas compuestas (por ejemplo, gluones, que implica a los neutrones y los protones) contribuye a la masa de la materia ordinaria. Como se ha visto anteriormente, muchas de las primeras definiciones de lo que puede llamarse «materia ordinaria» se basaban en su estructura o «bloques de construcción». Una definición que sigue esta tradición puede enunciarse a escala de las partículas elementales: «la materia ordinaria es todo lo que está compuesto por cuarks y leptones», o «la materia ordinaria es todo lo que está compuesto por cualquier fermión elemental excepto los anticuarks y los antileptones». La conexión entre estas formulaciones es la siguiente.
Los leptones (el más famoso es el electrón) y los cuarks (de los que están hechos los bariones, como los protones y los neutrones) se combinan para formar átomos, formando moléculas. Como se dice que los átomos y las moléculas son materia, es natural formular la definición: «la materia ordinaria es cualquier cosa hecha de lo mismo que están hechos los átomos y las moléculas». (Sin embargo, nótese que también se puede hacer a partir de estos bloques de construcción materia que no sea átomos ni moléculas). Entonces, como los electrones son leptones, y los protones y neutrones están hechos de cuarks, esta definición, a su vez, lleva a la definición de la materia como «cuarks y leptones», que son dos de los cuatro tipos de fermiones elementales (los otros dos son los anticuarks y los antileptones, que pueden considerarse antimateria como se describe más adelante). Carithers y Grannis afirman: «La materia ordinaria está compuesta en su totalidad por partículas de primera generación, es decir, los cuarks [arriba] y [abajo], más el electrón y su neutrino». (Las partículas de generaciones superiores decaen rápidamente en partículas de primera generación, por lo que no se encuentran habitualmente).
Esta definición de la materia ordinaria es más sutil de lo que parece a primera vista. Todas las partículas que componen la materia ordinaria (leptones y cuarks) son fermiones elementales, mientras que todas las partículas portadoras de fuerza son bosones elementales. Los bosones W y Z que median la fuerza débil no están hechos de cuarks ni de leptones y, por tanto, no son materia ordinaria, aunque tengan masa.La masa del bosón W es de 80 398 GeV; véase la figura 1 en En otras palabras, la masa no es exclusiva de la materia ordinaria.