案件

物質と質量は現代物理学では同じではないので、物質と質量を混同しないでください。^[9]物質は、「物理的物質」を表す一般的な用語です。対照的に、質量は物質ではなく、物質や他の物質やシステムの量的性質です。物理学では、静止質量、慣性質量、相対論的質量、質量エネルギーなど、さまざまなタイプの質量が定義されています。

何を物質と見なすべきかについてはさまざまな見解がありますが、物質の質量には厳密な科学的定義があります。もう 1 つの違いは、物質には反物質と呼ばれる「反対」がありますが、質量には反対がないということです。科学者はこの概念について議論していますが、知られている限り、「反質量」や負の質量などというものはありません。反物質は、通常の物質と同じ (つまり正の) 質量特性を持っています。

科学のさまざまな分野では、物質という用語をさまざまな方法で、時には互換性のない方法で使用しています。これらの方法のいくつかは、質量と単純な量を区別する理由がなかった時代からの緩やかな歴史的意味に基づいています。このように、「物質」という言葉には、普遍的に合意された単一の科学的意味はありません。科学的には、「質量」という用語は明確に定義されていますが、「物質」はいくつかの方法で定義できます。物理学の分野では、「物質」は、クォークやレプトンなどの静止質量を示す (つまり、光速では移動できない) 粒子と単純に同一視されることがあります。ただし、物理学と化学の両方で、物質は波のような特性と粒子のような特性の両方を示し、いわゆる波動と粒子の二重性. ^{[10] [11] [12]}

原子に基づく

その物理的および化学的構造に基づく「物質」の定義は次のとおりです。物質は原子で構成されています。^[13]このような原子物質は、通常物質と呼ばれることもあります。一例として、デオキシリボ核酸 分子(DNA) は、原子でできているため、この定義では物質です。この定義は、原子の定義に明らかに含まれていないプラズマ(イオンのガス) と電解質(イオン溶液)を含むように、荷電原子と分子を含むように拡張することができます。あるいは、陽子、中性子、および電子の定義を採用することもできます。

陽子、中性子、電子に基づく

原子や分子の定義よりも細かい「物質」の定義は次のとおりです。物質は原子と分子が何からできているか、つまり正に帯電した陽子、中性子、負に帯電した電子でできているものすべてを意味します。^[14]しかし、この定義は原子や分子を超えて、単純な原子や分子ではないこれらの構成要素から作られた物質、例えば古い陰極線管テレビの電子ビーム、または白いddd星物質を含む。縮退した電子の海にある酸素原子核。微視的なレベルでは、陽子、中性子、電子などの物質の構成要素「粒子」は、量子力学の法則に従い、波動と粒子の二元性を示します。さらに深いレベルでは、陽子と中性子はクォークとそれらを結合する力場 (グルーオン) で構成され、次の定義につながります。

クォークとレプトンに基づく

「クォークとレプトン」の定義では、クォーク(紫) と レプトン(緑) でできた基本粒子と複合粒子は 問題になりますが、ゲージ ボソン (赤) は問題になりません。ただし、通常の物質の質量には、複合粒子固有の相互作用エネルギー (例えば、中性子や陽子に含まれるグルーオン) が寄与しています。

上記の議論に見られるように、「通常の物質」と呼ぶことができるものの多くの初期の定義は、その構造または「構成要素」に基づいていました。素粒子のスケールでは、この伝統に従う定義は、「通常の物質は、クォークとレプトンで構成されるすべてのものである」または「通常の物質とは、反クォークと反レプトンを除くすべての素粒子で構成されるすべてのものである」と述べることができます。 . ^{[15] [16] [17]}これらの定式化間の関係は次のとおりです。

レプトン (最も有名なものは電子) とクォーク (陽子や中性子などのバリオンが作られる) が結合して原子を形成し、原子が分子を形成します。原子や分子は物質であると言われているため、「通常の物質とは、原子や分子が構成されているものと同じもので構成されているもの」と定義するのが自然です。(ただし、これらの構成要素から原子や分子ではない物質を作ることもできることに注意してください。) 次に、電子はレプトン、陽子、中性子はクォークでできているので、この定義は物質の定義につながります。これは、4 種類の基本フェルミオンのうちの 2 つである「クォークとレプトン」です (他の 2 つは、後述するように反物質と見なすことができる反クォークとアンティレプトンです)。Carithers と Grannis は次のように述べています。「通常の物質は、完全に第 1 世代の粒子、つまり [アップ] および [ダウン] クォークに加えて、電子とそのニュートリノで構成されています。^[16] (より高い世代の粒子はすぐに第 1 世代の粒子に崩壊するため、一般的には遭遇しません。^[18] )

通常の物質のこの定義は、最初に現れたよりも微妙です。通常の物質 (レプトンとクォーク) を構成するすべての粒子は基本フェルミオンですが、すべての力のキャリアは基本ボソンです。^[19]ウィークボソン媒介弱い力それらが質量を有していても、クォークやレプトンで作られていないが、そのため通常問題ではありません。^[20]言い換えれば、質量は通常の物質に限ったものではない.

ただし、通常の物質のクォーク-レプトンの定義は、物質の基本的な構成要素を特定するだけでなく、構成要素 (たとえば、原子や分子) から作られた複合物も含みます。このような複合材料は、構成要素をまとめて保持する相互作用エネルギーを含み、複合材料の大部分を構成する可能性があります。一例として、原子の質量の大部分は、その構成要素である陽子、中性子、および電子の質量の単純な合計です。しかし、さらに深く掘り下げると、陽子と中性子は、グルーオン場 (量子色力学のダイナミクスを参照) によって結合されたクォークで構成されており、これらのグルーオン場はハドロンの質量に大きく貢献しています。^[21]つまり、通常の物質の「質量」を構成するもののほとんどは、陽子と中性子内のクォークの結合エネルギーによるものです。^[22]たとえば、核子の3 つのクォークの質量の合計は、およそ12.5  MeV/ c 2で、核子の質量 (約938  MeV/ c 2 )。^{[23] [24]}要するに、日常の物体のほとんどの質量は、その基本的な構成要素の相互作用エネルギーから来ているということです.

標準模型は、物質粒子を 3 つの世代にグループ化し、各世代は 2 つのクォークと 2 つのレプトンで構成されます。第 1 世代は、アップクォークとダウンクォーク、電子と電子ニュートリノです。2 つ目は、チャームとストレンジクォーク、ミューオンとミューニュートリノです。第三世代の構成要素は上部と底クォークとタウとタウニュートリノ。^[25]これに対する最も自然な説明は、高次の世代のクォークとレプトンが第一世代の励起状態であるというものです。このターンアウトはケースのようにした場合、それはクォークとレプトンであることを暗示する複合粒子ではなく、素粒子。^[26]

このクォーク-レプトンの物質の定義は、「(正味の)物質の保存」法則と呼ばれるものにもつながります。これについては、後で説明します。あるいは、物質の質量-体積-空間の概念に戻って、反物質が物質のサブクラスとして含まれる次の定義につながる可能性があります。

基本フェルミオン（質量、体積、空間）に基づく

物質の一般的または伝統的な定義は、「質量と体積を持つ(空間を占める) もの」です。^{[27] [28]}たとえば、自動車は質量と体積 (空間を占める) があるため、物質でできていると言われます。

物質が空間を占めるという観察は、古代にまでさかのぼります。しかし、問題のスペースを占有している理由の説明は最近のことである、として説明した現象の結果であると主張しているパウリ排他律、^{[29] [30]}に適用されますフェルミオン。排他原理が明らかに物質を宇宙空間の占有に関連させる 2 つの特定の例は、白色dd星と中性子星であり、以下でさらに説明します。

したがって、物質は基本フェルミオンで構成されるすべてのものと定義できます。私たちが日常生活でそれらに遭遇することはありませんが、反クォーク(反プロトン など) と反レプトン (陽電子など) は、クォークとレプトンの反粒子であり、基本フェルミオンでもあり、本質的にクォークと同じ性質を持っています。これには、2 つの粒子が同時に同じ場所に (同じ状態で) 存在することを防ぐ、つまり各粒子が「空間を占有する」ようにする、パウリ排除原理の適用性が含まれます。この特定の定義は、通常のクォークとレプトンだけでなく、これらの反物質粒子でできたすべてのものを含むように定義され、したがって、クォークと反クォークで構成される不安定な粒子である中間子でできたすべてのものを含むと定義されます。

一般相対性理論と宇宙論

相対性理論の文脈では、質量は加法量ではありません。つまり、系内の粒子の残りの質量を足して、系の総残りの質量を求めることはできないという意味です。^{[1] ：21}このように、相対性理論では、通常、より一般的な見解では、それはの合計ではないということです残りの塊が、エネルギー運動量テンソル物質の量を定量化します。このテンソルは、システム全体の静止質量を示します。したがって、「物質」は、システムのエネルギー運動量に寄与するもの、つまり純粋な重力ではないものと見なされることがあります。^{[31] [32]}この見解は、宇宙論などの一般相対性理論を扱う分野で一般的に保持されている. この見方では、光やその他の質量のない粒子や場はすべて「物質」の一部です。

素粒子物理学では、フェルミオンはフェルミ・ディラック統計に従う粒子です。フェルミオンは、電子のような基本的なものもあれば、陽子や中性子のような複合的なものもあります。標準モデルクォークとレプトン、次に説明される：、基本フェルミオンの2種類があります。

クォーク

クォークはスピン1 ⁄ 2 の巨大な粒子であり、フェルミ粒子であることを示唆している。それらは-の電荷を 持っています'"`UNIQ--templatestyles-00000029-QINU`"'1 ⁄ 3  e (ダウン型クォーク) または + 2 ⁄ 3  e (アップ型クォーク)。比較のために、電子は -1 e の電荷を持っています。それらは、強い相互作用の電荷に相当する色荷も持っています。クォークも放射性崩壊を受けます。つまり、弱い相互作用の影響を受けます。

陽子のクォーク構造：アップクォーク2個とダウンクォーク1個。

バリオン物質

バリオンは強く相互作用するフェルミオンであるため、フェルミ・ディラック統計の影響を受けます。バリオンの中には、原子核に発生する陽子と中性子がありますが、他の多くの不安定なバリオンも存在します。バリオンという用語は通常、3 つのクォークでできた粒子であるトライクォークを指します。また、4つのクォークと1つの反クォークからなる「エキゾチック」なバリオンはペンタクォークと呼ばれていますが、その存在は一般的には認められていません。

バリオン物質は、バリオン (すべての原子を含む) で構成される宇宙の一部です。宇宙のこの部分には、暗黒エネルギー、暗黒物質、ブラックホール、または白色dd星や中性子星を構成するようなさまざまな形態の縮退物質は含まれていません。Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) によって観測されたマイクロ波光は、最高の望遠鏡の範囲内にある宇宙のその部分の約 4.6% のみが生成されることを示唆しています(つまり、光がそこから到達する可能性があるため、目に見えるかもしれない物質)バリオン物質の。約26.8%が暗黒物質、約68.3%が暗黒エネルギーです。^[34]

実際のところ、宇宙の通常の物質の大部分は見えません。なぜなら、銀河やクラスター内の目に見える星やガスは、宇宙の質量エネルギー密度に対する通常の物質の寄与の 10% にも満たないからです。^[35]

白いdwar星のIKペガシB（中央）、そのAクラスの相棒IKペガシA（左）、太陽（右）の比較 。この白色dd星の表面温度は 35,500 K です。

ハドロン物質

ハドロン物質は、ハドロン(バリオンと中間子)から作られた「通常の」バリオン物質、またはクォーク物質(原子核の一般化)、つまり「低温」QCD 物質を指すことができます。^[36]これには、縮退した物質と、高エネルギーの重い原子核の衝突の結果が含まれます。^[37]暗黒物質とは異なる。

縮退物質

物理学では、縮退した物質は、絶対零度に近い温度でのフェルミオンのガスの基底状態を指します。^[38]パウリ排他原理は2つだけフェルミオンは、1つのスピンアップし、他のスピンダウンを量子状態を占めることができることが必要です。したがって、ゼロ温度では、フェルミオンは利用可能なすべてのフェルミオンを収容するのに十分なレベルを満たします.多くのフェルミオンの場合、最大運動エネルギー (フェルミエネルギーと呼ばれます) とガスの圧力は非常に大きくなり、通常の物質状態とは異なり、温度ではなくフェルミオンの数。

フェルミ縮退は、重い星の進化の過程で発生すると考えられています。^[39]スブラマニアン・チャンドラセカールによる、白色dd星は排他原理のために最大許容質量を持つという証明は、星の進化論に革命を引き起こした。^[40]

縮退した物質には、中性子星と白色dd星で構成される宇宙の一部が含まれます。

ストレンジ物質

ストレンジ物質は、クォーク物質の特定の形態であり、通常、アップ、ダウン、ストレンジクォークの液体と考えられています。これは、中性子と陽子(それ自体がアップクォークとダウンクォークでできている) の液体である核物質と、アップクォークとダウンクォークだけを含むクォーク液体であるストレンジ物質とは対照的です。十分な密度があれば、ストレンジ物質はカラー超伝導になると予想されます。ストレンジ物質は、中性子星のコアで発生するか、より推測的には、フェムトメートル(ストレンジレット) から数キロメートル (クォーク星)までサイズが異なる孤立した液滴として発生するという仮説が立てられています。

「ストレンジ物質」という言葉の2つの意味

で素粒子物理学および天体物理学、この用語は、2つの方法、1より広範と他の複数の特定に使用されます。

1. より広い意味は、アップ、ダウン、ストレンジの 3 つのクォークのフレーバーを含むクォーク物質にすぎません。この定義には、臨界圧力と関連する臨界密度があり、核物質 (陽子と中性子でできている) がこの密度を超えて圧縮されると、陽子と中性子はクォークに解離し、クォーク物質 (おそらくストレンジ物質) が生成されます。
2. より狭い意味は、核物質よりも安定なクォーク物質です。これが起こりうるという考えは、ボドマー^[41]とウィッテンの「ストレンジ物質仮説」です。^[42]この定義では、臨界圧力はゼロです。物質の真の基底状態は常にクォーク物質です。核物質の液滴である私たちの周りの物質に見られる核は、実際には準安定であり、十分な時間 (または適切な外部刺激) が与えられると、奇妙な物質の液滴、つまりストレンジレットに崩壊します。

レプトン

レプトンはスピンの 粒子1 ⁄ 2 は、それらがフェルミオンであることを意味します。それらは -1e(荷電レプトン) または 0 e (ニュートリノ) の電荷を 持っています。クォークとは異なり、レプトンは運ばない色電荷を、彼らが経験していないことを意味し、強力な相互作用を。レプトンも放射性崩壊を受けます。つまり、レプトンは弱い相互作用の影響を受けます。レプトンは重い粒子であるため、重力の影響を受けます。

一定量における代表的な物質の状態図。縦軸は P ressure、横軸は T emperature です。緑の線は 凝固点(緑の線の上は 固体、下は 液体) を示し、青の線は 沸点(上は 液体、下は 気体) を示します。したがって、たとえば、 Tが高い場合、物質を液相に維持するにはP を高く する必要があります。で、 三重点、三の相。液体、気体および固体; 共存できます。臨界点を超えると、 フェーズ間に検出可能な違いはありません。点線は水の異常な挙動を示してい ます: 氷は一定の温度で圧力を上げながら溶けます。 ^[45]

バルク、問題は、として知られているいくつかの異なる形態、または凝集の状態で存在することができる相、^[46]周囲に応じて圧力、温度および体積。^[47]相は、比較的均一な化学組成と物理的特性 (密度、比熱、屈折率など)を持つ物質の形態です。これらの相には、よく知られた 3 つの相 (固体、液体、気体) と、よりエキゾチックな状態の物質 (プラズマ、超流動、超固体、ボース・アインシュタイン凝縮体など) が含まれます。流体は、液体、気体又はプラズマであってもよいです。磁性材料には常磁性相と強磁性相もあります。状況が変化すると、物質はある段階から別の段階に変化することがあります。これらの現象は相転移と呼ばれ、熱力学の分野で研究されています。ナノ材料では、表面積と体積の比が大幅に増加したため、バルク材料とはまったく異なる特性を示し、バルク相では十分に説明されない物質が生成されます (詳細については、ナノ材料を参照してください)。

相は物質の状態と呼ばれることもありますが、この用語は熱力学的状態と混同される可能性があります。たとえば、異なる圧力で維持された 2 つのガスは、異なる熱力学的状態(異なる圧力) にありますが、同じ相にあります(どちらもガスです)。

反物質とは、通常の物質を構成するものの反粒子が集まってできた物質のことです。粒子とその反粒子が接触すると対消滅します。つまり、それらは両方とも、アルバート アインシュタインの方程式E = mc 2に従って、等しいエネルギーを持つ他の粒子に変換される可能性があります。これらの新しい粒子は、高エネルギーの光子(ガンマ線) または他の粒子と反粒子のペアである可能性があります。結果として生じる粒子は、対消滅生成物の残りの質量と、元の粒子と反粒子のペアの残りの質量との差に等しい量の運動エネルギーを与えられます。「物質」のどの定義が採用されるかに応じて、反物質は物質の特定のサブクラス、または物質の反対であると言えます。

アンチマターは地球上には自然に存在しませんが、ごく短期間で、ほとんど消失するほど少量です (放射性崩壊、雷、または宇宙線の結果として)。これは、適切な物理実験室の範囲外で地球に存在するようになった反物質が、地球を構成する通常の物質とほぼ瞬時に出会い、消滅するためです。反粒子といくつかの安定した反物質 (反水素など) は少量で作ることができますが、その理論的性質のいくつかをテストする以上のことを行うには十分な量ではありません。

科学とサイエンス フィクションの両方で、観測可能な宇宙が明らかにほぼ完全に物質 (反クォークやアンティレプトンではなく、クォークとレプトンの意味で) であるように見える理由、および他の場所がほぼ完全に反物質 (反クォークとアンティレプトン) であるかどうかについて、かなりの推測があります。 . 初期の宇宙では、物質と反物質が同等に表されたと考えられており、反物質の消失には、CP (電荷パリティ) 対称性の破れと呼ばれる物理法則の非対称性が必要であり、これは標準模型^[48]から取得できますが、現時点では、可視宇宙における物質と反物質の明らかな非対称性は、物理学における未解決の大きな問題の1 つです。それが生じた可能性のあるプロセスは、バリオン生成の下でより詳細に調査されます。

正式には、反物質粒子は負のバリオン数またはレプトン数で定義できますが、「通常の」(非反物質) 物質粒子は正のバリオン数またはレプトン数を持ちます。^[49]これら 2 つのクラスの粒子は、互いに反粒子パートナーです。

2017 年 10 月、科学者は、ビッグバンで等しく生成された物質と反物質が同一であり、互いに完全に消滅し、その結果、宇宙が存在しないはずであるというさらなる証拠を報告しました。^{[50] [51]}これは、初期形成宇宙における物質と反物質の完全な相互破壊を止めた、または2つの形態の間の不均衡を引き起こした、科学者にはまだ知られていない何かが存在するに違いないことを示唆している.

（antiquark-antileptonセンスおよび反物質）クォーク、レプトンの意味での物質の量を定義することができる2つの量、バリオン数とレプトン数は、さ保存標準モデルで。バリオン三つのバリオンであるので、そのような陽子または中性子としては、一方のバリオン数、およびクォークを有する1/3のバリオン数与えられます。したがって、物質の正味の量は、クォークの数 (それぞれが -1/3 のバリオン数を持つ反クォークの数を差し引いた数) によって測定され、バリオン数とレプトンの数 (反レプトンを差し引いた数) に比例します。これはレプトン数と呼ばれ、どのプロセスでも変更することは事実上不可能です。核爆弾であっても、バリオン (原子核を構成する陽子と中性子) が破壊されることはありません。反応前と同じ数のバリオンが存在するため、これらの物質粒子は実際には破壊されず、変換さえされません。非物質粒子 (光や放射線の光子など) に。代わりに、これらのバリオンが、元の小さい (水素) および大きい (プルトニウムなど) と比較して、核子あたりのエネルギーが少ない (そして、同等に、質量が少ない)中型の核に結合するため、核(およびおそらく色力学的) 結合エネルギーが解放されます。 ) 核。でも中に電子-陽電子消滅ゼロネット状物質（ゼロ総レプトン数とバリオン数）があったため、破壊されていないネット関係は消滅-1レプトンマイナス1 antileptonは正味ゼロレプトン数-及びこれを等しくする前に開始することがあり、正味量の物質は、消滅後に単にゼロのままであるため、変化しません。^[52]

要するに、物理学で定義されている物質は、バリオンとレプトンを指します。物質の量は、バリオン数とレプトン数で定義されます。バリオンとレプトンは作成できますが、それらの作成にはアンチバリオンまたは反レプトンが伴います。アンチバリオンや反レプトンで全滅させることで破壊することができます。アンチバリオン/反レプトンは負のバリオン/レプトン数を持つため、全体のバリオン/レプトン数は変化せず、物質は保存されます。ただし、バリオン/レプトンとアンチバリオン/反レプトンはすべて正の質量を持っているため、質量の合計は保存されません。さらに、自然または人工の核反応以外では、宇宙で一般的に利用できる反物質はほとんどないため (バリオン非対称性とレプトン生成を参照)、通常の状況では粒子の消滅はまれです。

通常の物質は、クォークとレプトンの定義では、観測可能な宇宙のエネルギーの約 4% を構成します。残りのエネルギーは、エキゾチックな形態によるものであると理論化されており、そのうち 23% がダークマター^{[54] [55] で}、73% がダーク エネルギーです。^{[56] [57]}

天の川銀河の回転曲線。縦軸は銀河中心周りの自転速度。横軸は銀河中心からの距離。太陽は黄色いボールでマークされています。観察された回転速度の曲線は青色です。天の川銀河の星の質量とガスに基づく予測曲線は赤です。この違いは、 暗黒物質、またはおそらく重力の法則の修正によるものです 。 ^{[58] [59] [60]}観測値のばらつきは、灰色のバーで大まかに示されています。

暗黒物質

で天体物理学と宇宙論、暗黒物質は、物質放出又は反射する直接観察するのに十分な電磁放射線を、しかしその存在が可視物質に重力の影響から推測することができない未知の組成物です。^{[61] [62]}初期宇宙の観測的証拠とビッグバン理論では、この物質にはエネルギーと質量があるが、通常のバリオン (陽子と中性子) は構成されていないことが必要である。一般に受け入れられている見解は、暗黒物質のほとんどは本質的に非バリオンであるというものです。^[61]そのため、実験室でまだ観察されていない粒子で構成されています。おそらく彼らは、超対称粒子、^[63]ではありません標準モデル宇宙の初期の段階では非常に高いエネルギーで形成された粒子が、遺物は、まだ約浮き。^[61]

ダークエネルギー

宇宙、ダークエネルギーが速度加速して反発影響のソースに与えられた名称である宇宙の膨張。その正確な性質は現在謎ですが、その効果は、エネルギー密度や圧力などの物質のような特性を真空自体に割り当てることで合理的にモデル化できます。^{[64] [65]}

宇宙の物質密度の完全に 70% は、暗黒エネルギーの形であるように見えます。26% が暗黒物質です。普通の物質はわずか4%です。したがって、私たちが実験的に観察したり素粒子物理学の標準モデルで説明したりした物質でできているのは 20 分の 1 未満です。残りの 96% のうち、今述べた特性を除いて、私たちはまったく何も知りません。

—  Lee Smolin (2007), The Trouble with Physics , p. 16

エキゾチックマター

エキゾチック マターは素粒子物理学の概念であり、ダークマターとダーク エネルギーが含まれる場合がありますが、既知の形態の物質の 1 つ以上の特性に違反する仮想的な物質も含まれます。このような材料の中には、負の質量のような仮想的な特性を持つものもあります。

古代（紀元前600年頃～紀元前322年頃）

では、古代インド、仏教徒、ヒンズー教徒やジャイナ教は、それぞれ、すべての物質は原子（で作られていることポジショニング、物質の粒子状の理論を開発しparamanu、pudgala自体に「永遠不滅と無数」であり、仲間と解離による）特定の基本的な自然法則に従って、より複雑な物質を形成したり、時間の経過とともに変化したりします。^[6]彼らは、魂のアイデア、または魂の欠如を物質の理論に結び付けました。この理論の最も強力な開発者および擁護者は、ニヤーヤ学派とヴァイシェーシカ学派であり、哲学者カナダ(紀元前 6 世紀頃) の考えが最も支持されました。^{[6] [7]}仏教徒も紀元前 1000 年紀後期にこれらの考えを発展させました。これはヴァイシェーシカ ヒンドゥー教の学校に似ていましたが、魂や良心を含んでいませんでした。^[6]ジャイナ教徒は魂 (ジーヴァ) を含み、各原子に味、匂い、触感、色などの品質を追加しました。^[66]彼らは、ヒンズー教徒と仏教徒の初期の文献に見られる考えを拡張して、原子は湿ったか乾燥したかのいずれかであり、この品質のセメントが重要であると付け加えました。彼らはまた、反対の引力のために原子が結合し、魂がこれらの原子に付着し、カルマの残余物で変化し、再生のたびに転生する可能性を提案しました。^[6]

では、ヨーロッパ、事前Socraticsは、目に見える世界の根本的な性質を推測しました。タレス(紀元前 624 年頃 - 紀元前 546 年頃) は、水を世界の基本的な素材と見なしていました。アナクシマンドラー(紀元前 610 年頃 - 紀元前 546 年頃) は、基本的な素材は完全に特徴がないか無限であると仮定しました。つまり、無限 (アペイロン) です。アナクシメネス(紀元前 585 年、紀元前 528 年に栄えた) は、基本的なものはプネウマまたは空気であると仮定しました。ヘラクレイトス(紀元前 535 年頃 – 紀元前 475 年頃) は、基本的な要素は火であると言っているようですが、おそらく彼はすべてが変化であると言っているのでしょう。エンペドクレス(紀元前 490 年 - 紀元前 430 年頃) は、地球、水、空気、火の 4 つの要素について話しました。^[67]一方、パルメニデスは変化は存在しないと主張し、デモクリトスはすべてが原子と呼ばれるすべての形の小さな不活性な物体で構成されていると主張し、原子論と呼ばれる哲学. これらの概念はすべて、深い哲学的問題を抱えていました。^[68]

アリストテレス（384から322 BC）は、特に中で、彼は彼の自然哲学でやった音哲学的基礎、上の概念を入れた最初の物理ブックI. ^[69]彼は4つの合理的な仮定として採用Empedoclean要素が、Aを追加しました第五に、エーテル。それにもかかわらず、これらの要素はアリストテレスの心の基本的なものではありません。むしろ、それらは、目に見える世界の他のすべてのものと同様に、基本原理の物質と形で構成されています。

というのも、私の物質の定義はまさにこれ、つまり、各事物の主要な基盤であり、そこから資格がなく、結果として持続するからです。

—  アリストテレス、物理学 I:9:192a32

言葉の問題、のためのアリストテレスの用途ὕλη（質料またはヒュールが）、文字通り木材や木材として翻訳することができ、建物のための「原料」、です。^[70]確かに、アリストテレスの物質概念は、何かが作られたり構成されたりすることに本質的に関連している. 言い換えれば、物質が単に空間を占めるという初期の近代的な概念とは対照的に、アリストテレスにとっての物質は、プロセスまたは変化と定義的に結びついています。物質は物質の変化の根底にあるものです。たとえば、馬は草を食べます。馬は草を自分自身に変えます。草そのものは馬の体内に残りませんが、その一部の側面、つまり問題は残ります。問題は具体的に記述されていません (例えば、原子として) が、草から馬への物質の変化の中で持続するもので構成されています。この理解における物質は、独立して (つまり、物質として)存在するのではなく、形と相互に依存して (つまり、「原理」として) 存在し、それが変化の根底にある場合にのみ存在します。物質と形の関係は、部分と全体の関係に非常に類似していると考えることが役立ちます。アリストテレスにとって、物質自体は形からのみ現実性を受け取ることができます。それ自体には何の活動も現実性もありません。それは、部分が全体としてのみ存在するのと同様です(そうでなければ、それらは独立した全体になります)。

17世紀と18世紀

ルネ・デカルト(1596 年 - 1650 年) は、現代の物質概念を生み出しました。彼は主に幾何学者でした。アリストテレスのように、物質の存在を変化の物理的現実から推測する代わりに、デカルトは、物質が空間を占める抽象的な数学的実体であると意的に仮定しました。

したがって、長さ、幅、および深さの拡張は、身体的実体の性質を構成します。そして、思考は思考の実体の性質を構成します。そして、身体に起因する他のすべてのものは、拡張を前提としており、拡張のモードにすぎません。

—  ルネ・デカルト、哲学原理^[71]

デカルトにとって、物質は拡張の性質しか持たないので、移動以外のその活動は他の物体を排除することだけである^[72]これが機械の哲学である. デカルトは、彼が拡張されていない、思考する実体と定義する心と、思考を持たない拡張された実体と定義する物質とを絶対的に区別しています。^[73]それらは独立したものです。対照的に、アリストテレスは、物質と形式/形成原理を、1 つの独立したもの (実体)を一緒に構成する補完的な原理として定義しています。要するに、アリストテレスは物質を (大まかに言って) 物事が実際に何からできているか (潜在的な独立した存在を伴う) と定義していますが、デカルトは物質をそれ自体が実際の独立したものに高めています。

デカルトとアリストテレスの概念の連続性と相違は注目に値します。どちらの概念でも、物質は受動的または不活性です。それぞれの概念では、物質は知性と異なる関係を持っています。アリストテレスにとっては、物質と知性（形）は相互依存関係にあり、デカルトにとっては、物質と知性（心）は定義上、対立する独立した物質です。^[74]

物質の固有の性質を拡張に限定するデカルトの正当化は、その永続性ですが、彼の本当の基準は永続性 (色と抵抗にも等しく適用されます) ではなく、幾何学を使用してすべての物質的特性を説明したいという彼の欲求です。^[75]デカルトのように、ホッブズ、ボイル、およびロックは、身体の固有の特性は拡張に限定されており、色のようないわゆる二次的性質は人間の知覚の産物にすぎないと主張した. ^[76]

アイザック ニュートン(1643–1727) は、デカルトの機械的な物質概念を継承しました。ニュートンは、彼の「哲学における推論の規則」の 3 番目で、物質の普遍的な性質を「拡張、硬さ、不浸透性、移動性、慣性」として挙げています。^[77]同様に光学彼は「そうであっても非常に難しい...など決して着用するかの作品で破る」神がいた「とは、固体、マッシー、ハード、不可解な、可動粒子」、などの問題を作成することを推測しません。^[78]物質の「一次」特性は、色や味などの「二次」特性とは異なり、数学的記述に適していた^[78]。デカルトのように、ニュートンは二次的性質の本質的な性質を拒否しました。^[79]

ニュートンは、質量などの拡張に加えて (少なくとも限定的に) 物質に固有の特性を復元することにより、デカルトの物質の概念を開発しました。ニュートンが「離れた場所で」働く重力の使用は、相互作用が接触によってのみ起こるというデカルトの力学を効果的に否定した。^[80]

ニュートンの重力は物体の力のように見えますが、ニュートン自身はそれが物質の本質的な特性であるとは認めていませんでした。論理をより一貫して進めて、ジョセフ・プリーストリー(1733–1804) は、物理的特性は接触力学を超越していると主張しました。化学的特性には引力の能力が必要です。^[80]彼は、デカルトなどのいわゆる主要な性質以外に、物質には他の固有の力があると主張した。^[81]

19世紀と20世紀

プリーストリーの時代から、物質世界の構成要素 (つまり、分子、原子、素粒子) に関する知識が大幅に拡大してきました。19 世紀には、周期表と原子理論の発展に伴い、原子は物質の基本的な構成要素であると見なされました。原子は分子や化合物を形成しました。^[82]

空間を占有し質量を持つという一般的な定義は、物質のほとんどの物理的および化学的定義とは対照的であり、代わりにその構造と、体積と質量に必ずしも関連しない属性に依存しています。19 世紀の変わり目に、物質の知識は急速な進化を始めました。

ニュートンの見解の側面は依然として影響力を持っていました。James Clerk Maxwellは、彼の著書『Mater and Motion』で物質について議論しました。^[83]彼は「物質」を空間と時間から注意深く分離し、ニュートンの運動の第 1 法則で言及されているオブジェクトの観点からそれを定義します。

しかし、ニュートンの絵がすべてではありませんでした。19 世紀には、「物質」という用語が多くの科学者や哲学者によって活発に議論され、その概要が Levere に見られます。^{[84] [さらに説明が必要]} 1870 年からの教科書の議論は、物質は原子で構成されていることを示唆している: ^[85]

科学では、物質の 3 つの区分が認識されています。質量、分子、原子です。
物質の塊は、感覚によって認識できる物質の任意の部分です。
分子は、体をそのアイデンティティを失うことなく分割できる最小の粒子です。
原子は、分子が分裂してできたさらに小さな粒子です。

物質は単に質量と占有スペースという属性を持っているのではなく、化学的および電気的特性を持っていると考えられていました。1909 年に、有名な物理学者JJ トムソン(1856 年 - 1940 年) は、「物質の構成」について書き、物質と電荷の間の可能な関係に関心を持っていました。^[86]

19 世紀後半には電子が発見され、20 世紀初頭にはガイガー マースデン実験によって原子核が発見され、粒子物理学が誕生して、物質は電子、陽子、中性子で構成されていると見なされました。相互作用して原子を形成します。その後、20 世紀初頭の「電気的構造」^[87]から、ヤコブによって 1992 年に導入された、より最近の「物質のクォーク構造」まで、「物質の構造」に関する完全な文献が開発されました。コメント: 「物質のクォーク構造を理解することは、現代の物理学における最も重要な進歩の 1 つです。」^{[88] [さらなる説明が必要]}これに関連して、物理学者は物質場について話し、粒子については「物質場のモードの量子励起」と言う。^{[10] [11]}そして、ここに de Sabbata と Gasperini からの引用がある: 「我々は、この文脈において、相互作用の源、すなわちスピノル場(クォークやレプトンのような) を示す。ゲージ理論で質量を導入するために使用されるヒッグス粒子のような物質またはスカラー場の基本的な構成要素であると信じられている(しかし、それはより基本的なフェルミオン場で構成される可能性がある)。^{[89] [さらに説明が必要]}

ただし、陽子と中性子は不可分ではなく、クォークに分けることができます。そして、電子はレプトンと呼ばれる粒子ファミリーの一部です。クォークとレプトンはどちらも素粒子であり、2004 年に学部のテキストの著者によって、物質の基本的な構成要素であると見なされました。^[90]

これらのクォークとレプトンは4つのを介して相互作用の基本的な力：重力、電磁気、弱い相互作用、および強い相互作用。素粒子物理学の標準模型は現在、すべての物理学の最良の説明ですが、何十年にもわたる努力にもかかわらず、重力はまだ量子レベルで説明できていません。それは、古典物理学(量子重力と重力を参照) ^[91]によって、スティーブン ホーキングのような理論家のフラストレーションにのみ記述されています。クォークとレプトン間の相互作用は、クォークとレプトン間の光子のような力を運ぶ粒子の交換の結果です。^[92]力を運ぶ粒子自体はビルディング ブロックではありません。1 つの結果として、質量とエネルギー (現在の知識では作成または破壊することはできません) は、常に物質 (光子などの非物質粒子から、または運動エネルギーなどの純粋なエネルギーから作成することもできます) と常に関連しているとは限りません。エネルギー）。^{[引用が必要]}力のメディエーターは通常、物質とは見なされない: 電気力 (光子) のメディエーターはエネルギーを持ち (プランクの関係を参照)、弱い力のメディエーター ( W および Z ボソン) は質量を持つが、どちらも物質とは見なされない. . ^[93]ただし、これらの量子は物質とは見なされませんが、原子、亜原子粒子、およびそれらを含むすべてのシステムの総質量に貢献します。^{[94] [95]}

現代の物質の概念は、基本的な構成要素が何であるか、およびそれらがどのように相互作用するかについての知識の向上に照らして、歴史の中で何度も洗練されてきました。「物質」という用語は、物理学全体で当惑するような様々な文脈で使用されている.例えば、「凝縮物質の物理学」、^[96]「元素物質」、^[97]「部分的」物質、「暗黒物質」などを指す。アンチ「物質」、「奇妙な」物質、そして「核」物質。物質と反物質の議論において、通常の物質はアルヴェーンによってkoinomatter (一般的な物質)と呼ばれています。^[98]中と言うことは公正である物理学、物質の一般的な定義に関しては何の幅広いコンセンサスが存在しない、という用語は、通常は指定する修飾子と一緒に使用されている「重要では」。

物質の概念の歴史は、物質を定義するために使用される基本的な長さスケールの歴史です。物質を原子レベルで定義するか、素粒子レベルで定義するかによって、異なる構成要素が適用されます。物質を定義したいスケールに応じて、物質が原子である、または物質がハドロンである、または物質がレプトンとクォークであるという定義を使用することができます。^[99]

これらのクォークとレプトンは4つのを介して相互作用の基本的な力：重力、電磁気、弱い相互作用、および強い相互作用。素粒子物理学の標準模型は現在、すべての物理学の最良の説明ですが、何十年にもわたる努力にもかかわらず、重力はまだ量子レベルで説明できていません。それは古典物理学によってのみ記述されます (量子重力と重力子を参照)。^[91]

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