Che cosa è la materia?

Siamo circondati dalla materia. In effetti, SIAMO importanti. Anche tutto ciò che rileviamo nell'universo è materia. È così fondamentale che accettiamo semplicemente che tutto sia fatto di materia. È l'elemento fondamentale di tutto: la vita sulla Terra, il pianeta su cui viviamo, le stelle e le galassie. In genere è definito come qualsiasi cosa che abbia massa e occupa un volume di spazio.

I mattoni della materia sono chiamati "atomi" e "molecole". Anche loro sono materia. La materia che possiamo rilevare normalmente è chiamata materia "barionica". Tuttavia, esiste un altro tipo di argomento, che non può essere rilevato direttamente. Ma la sua influenza può. È chiamato materia oscura.

È facile studiare la materia normale o la "materia barionica". Può essere scomposto in particelle subatomiche chiamate leptoni (elettroni per esempio) e quark (i mattoni di protoni e neutroni). Questi sono gli elementi che compongono gli atomi e le molecole che sono i componenti di tutto, dagli umani alle stelle.

La materia normale è luminosa, cioè interagisce elettromagneticamente e gravitazionalmente con altra materia e con radiazione. Non brilla necessariamente come pensiamo a una stella splendente. Potrebbe emettere altre radiazioni (come l'infrarosso).

Un altro aspetto che emerge quando si discute della materia è qualcosa chiamato antimateria. Pensala come il contrario della materia normale (o forse un'immagine speculare) di essa. Ne sentiamo spesso parlare quando gli scienziati ne parlano reazioni materia / anti-materia come fonti di energia. L'idea alla base dell'antimateria è che tutte le particelle hanno un anti-particella che ha la stessa massa ma opposta a spin e carica. Quando la materia e l'antimateria si scontrano, si annichilano a vicenda e creano energia pura sotto forma di raggi gamma. Quella creazione di energia, se potesse essere sfruttata, fornirebbe enormi quantità di potere a qualsiasi civiltà in grado di capire come farlo in sicurezza.

Contrariamente alla materia normale, la materia oscura è materiale non luminoso. Cioè, non interagisce elettromagneticamente e quindi appare scuro (cioè non rifletterà o emetterà luce). L'esatta natura della materia oscura non è ben nota, sebbene il suo effetto su altre masse (come le galassie) sia stato notato da astronomi come la dott.ssa Vera Rubin e altri. Tuttavia, la sua presenza può essere rilevata dall'effetto gravitazionale che ha sulla materia normale. Ad esempio, la sua presenza può limitare i movimenti delle stelle in una galassia, per esempio.

Attualmente ci sono tre possibilità di base per "cose" che compongono la materia oscura:

• Materia oscura fredda (CDM): C'è un candidato chiamato la particella voluminosa che interagisce debolmente (WIMP) che potrebbe essere la base per la fredda materia oscura. Tuttavia, gli scienziati non ne sanno molto o come potrebbe essersi formato all'inizio della storia dell'universo. Altre possibilità per le particelle CDM includono gli assioni, tuttavia non sono mai stati rilevati. Infine, ci sono MACHO (MAssive Compact Halo Objects), che potrebbero spiegare la massa misurata della materia oscura. Questi oggetti includono buchi neri, antico stelle di neutroni e oggetti planetari che sono tutti non luminosi (o quasi) ma contengono ancora una quantità significativa di massa. Questi spiegherebbero convenientemente la materia oscura, ma c'è un problema. Dovrebbero essercene molti (più del previsto rispetto all'età di alcune galassie) e la loro distribuzione dovrebbe essere incredibilmente ben distribuito in tutto l'universo per spiegare la materia oscura che gli astronomi hanno scoperto "là fuori". Quindi, la fredda materia oscura rimane un "lavoro dentro progresso."
• Calda materia oscura (WDM): Si pensa che questo sia composto da neutrini sterili. Queste particelle sono simili ai neutrini normali, tranne per il fatto che sono molto più massicci e non interagiscono attraverso la forza debole. Un altro candidato per WDM è il gravitino. Questa è una particella teorica che esisterebbe se la teoria della supergravità - una fusione di relatività generale e supersimmetria: ottieni trazione. Il WDM è anche un candidato interessante per spiegare la materia oscura, ma l'esistenza di neutrini sterili o gravitinos è nella migliore delle ipotesi speculativa.
• Materia oscura calda (HDM): le particelle considerate come materia oscura calda esistono già. Si chiamano "neutrini". Viaggiano a quasi la velocità della luce e non "raggruppare" insieme in modo da proiettare la materia oscura. Inoltre, dato che il neutrino è quasi privo di massa, ne sarebbe necessaria una quantità incredibile per compensare la quantità di materia oscura che si sa esiste. Una spiegazione è che esiste un tipo o sapore di neutrino ancora inosservato che sarebbe simile a quelli già noti per esistere. Tuttavia, avrebbe una massa significativamente maggiore (e quindi forse una velocità più lenta). Ma questo sarebbe probabilmente più simile alla materia oscura calda.

La materia non esiste esattamente senza influenza nell'universo e c'è una strana connessione tra radiazione e materia. Tale connessione non fu ben compresa fino all'inizio del 20 ° secolo. Fu allora che Albert Einstein iniziò a pensare alla connessione tra importa e energia e radiazioni. Ecco cosa gli è venuto in mente: secondo la sua teoria della relatività, massa ed energia sono equivalenti. Se una quantità sufficiente di radiazione (luce) si scontra con altri fotoni (un'altra parola per "particelle" di luce) di energia sufficientemente alta, è possibile creare massa. Questo processo è ciò che gli scienziati studiano in giganteschi laboratori con collettori di particelle. Il loro lavoro scava profondamente nel cuore della materia, alla ricerca delle particelle più piccole che si sa esistano.

Quindi, sebbene la radiazione non sia esplicitamente considerata materia (non ha massa o occupa volume, almeno non in modo ben definito), è connessa alla materia. Questo perché la radiazione crea materia e la materia crea radiazione (come quando la materia e l'antimateria si scontrano).

Facendo un ulteriore passo avanti nella connessione materia-radiazione, i teorici propongono anche l'esistenza di una misteriosa radiazione nella nostra universo. È chiamato energia oscura. La sua natura non è affatto compresa. Forse quando verrà compresa la materia oscura, arriveremo a comprendere anche la natura dell'energia oscura.

Modificato e aggiornato da Carolyn Collins Petersen.