Materie er det stof, som alt materiale er lavet af. Det vil sige genstande, der har masse. Mere specifikt skal de have hvilemasse, som er en form for energi, som materien har, selv når den ikke bevæger sig (den har ingen kinetisk energi), når den er ekstremt kold (den har ingen termisk energi) osv. Materie er et ord, der undertiden bruges på forskellige måder i dagligdagen, mens masse er et veldefineret begreb og en veldefineret størrelse, i hvert fald inden for fysikken. De er ikke det samme, selv om de er beslægtede.

Almindelig materie består af små partikler, der kaldes atomer. Der er mellemrum mellem atomerne, og de bevæger sig eller vibrerer hele tiden. Partiklerne bevæger sig hurtigere og bevæger sig længere fra hinanden, når de bliver opvarmet, og omvendt, når de bliver afkølet.

Hvad menes med masse og hvilemasse?

Masse er et mål for, hvor meget "stof" eller modstand mod acceleration et objekt har. I daglig tale blander man ofte masse og vægt sammen, men vægt er den kraft, tyngdefeltet (f.eks. Jordens tyngdekraft) udøver på en masse. Masse måles i kilogram (kg) i SI-systemet.

Hvilemasse (eller invariant masse) er den masse, et partikelsystem har, når det betragtes i sit eget hvilesystem. Det er en fundamentalt vigtig størrelse i både klassisk og relativistisk fysik. Ifølge relativitetsteorien er masse og energi tæt forbundne — E = mc² — så hvilemassen svarer til en mængde energi også når partikler ikke bevæger sig.

Partikler — atomer og deres indre

Et atom består typisk af en kerne med protoner og neutroner og elektroner, der bevæger sig rundt om kernen. Nogle vigtige punkter:

  • Protoner har positiv ladning, elektroner negativ ladning, neutroner er neutrale.
  • Protoner og neutroner er selv sammensat af mindre partikler kaldet kvarker.
  • Partikler kan binde sig sammen til molekyler, ioner eller faste strukturer afhængigt af typer og energitilstand (kemiske bindinger).
  • Udover almindelige atomer findes også antimaterie (partikler med modsatte ladninger) og mere eksotiske partikler beskrevet af moderne partikelfysik.

Tilstandsformer og bevægelse på mikroniveau

Hvordan atomerne er arrangeret og hvor meget de bevæger sig, bestemmer stoffets makroskopiske tilstand:

  • Fast stof: Atomer sidder tæt og vibrerer omkring faste positioner.
  • Væske: Atomer eller molekyler kan glide forbi hinanden, men er stadig relativt tætte.
  • Gas: Partikler bevæger sig frit og er langt fra hinanden i gennemsnit.
  • Plasma: En ioniseret gas hvor elektroner er løsrevet fra kerner.
  • Ved meget lave temperaturer kan kvantemekanik give usædvanlige tilstande som Bose–Einstein-kondensat.

Opvarmning øger den gennemsnitlige kinetiske energi og dermed partiklernes bevægelse; afkøling mindsker den. Denne bevægelse er det, vi ofte kalder termisk energi.

Masse, vægt, tæthed og bevarelse

Tæthed er masse pr. volumen (f.eks. kg/m³) og bestemmer, hvor kompakt et materiale er. To materialer kan have samme masse men forskellig volumen og dermed forskellig tæthed.

Den klassiske lov om massebevægelse i kemi siger, at masse er bevaret i en lukket kemisk reaktion. I moderne fysik er dette nuanceret: masse kan omdannes til energi og omvendt, jf. E = mc², så i fuldt relativistisk perspektiv er det den samlede energi (inklusive masseenergi) der bevares.

Andre former for "stof" og ukendt materie

Fysikere taler nogle gange om andre "komponenter" i universet, som ikke er almindelig materie:

  • Mørkt stof: En formodet type stof, som ikke udsender lys, men som afsløres gennem sin tyngdevirkning på galakser. Dets natur er stadig ukendt.
  • Feltkvanta: I kvantefeltteori beskrives også kraftmellemmænd (f.eks. fotoner for elektromagnetisme) som partikler, selvom de ikke har hvilemasse.

Opsummering

Materie er det stof, ting er lavet af, og det har masse. Hvilemasse er den form for masse/energi, et objekt har i hvile. Almindelig materie består af atomer og deres bestanddele, som konstant bevæger sig; denne mikroskopiske bevægelse bestemmer stoffernes makroskopiske egenskaber som tilstandsform, temperatur og tryk. Moderne fysik udvider begrebet med partikler uden hvilemasse (f.eks. fotoner), antimaterie og endnu ukendte former som mørkt stof.