La materia è definita come un'entità generica che occupi spazio e sia dotata di massa.
In ambito classico, la materia è un oggetto assai intuitivo e comprensibile, ma d'altro canto a livello microscopico o subatomico tale definizione non risulta particolarmente comoda. Lo spazio occupato da un oggetto è fondamentalmente vuoto, dato che un atomo è composto da un nucleo massivo estremamente piccolo e degli elettroni di massa trascurabile posti a formare una nube, con un grande rapporto (circa 10^5) tra il raggio medio delle orbite elettroniche e le dimensioni tipiche di un nucleo atomico.
A livello atomico, la definizione di materia è molto più teorica. La materia è essenzialmente un insieme di particelle fondamentali che costituiscono il Modello Standard. Queste particelle prendono il nome di fermioni. Una legge fondamentale, chiamata Principio di Esclusione di Pauli afferma che due fermioni non possono trovarsi nello stesso stato quantistico contemporaneamente. A causa di ciò, le particelle divergono in stato, energia, posizione, e dunque possono formare legami e interagire tra loro. I fermioni si suddividono in quark e leptoni. I primi sono i costituenti delle particelle subatomiche tra cui protoni e neutroni, i secondi sono particelle piccole e leggere come elettroni e muoni.
Esiste un'altra classe di particelle chiamate bosoni, che costituiscono i campi. Esse rappresentano gli agenti che operano gli scambi di energia e più genericamente le interazioni tra i fermioni.
Ecco la lista dei fermioni con i rispettivi simboli:
Quark:
- up (u)
- charm (c)
- top (t)
- down (d)
- strange (s)
- bottom (b, a volte chiamato beauty)
Leptoni:
- neutrino elettronico (ve)
- neutrico muonico (vμ)
- neutrino tauonico (vτ)
- elettrone (e)
- muone (μ)
- tauone (τ)
Inoltre la lista dei bosoni:
- fotone (γ)
- gluone (g)
- bosone Z (Z0)
- bosone W (W±)
- bosone di Higgs (H0)
E' comprensibile credere che la massa propriamente detta sia formata dai quark, e che gli agenti (in questo caso i gluoni) relativi alla forza di legame che agisce su essi (detta forza nucleare forte) agiscano semplicemente per tenerli insieme, senza contribuire alla massa. E' un errore comune e come detto prima, assolutamente comprensibile. Tuttavia è sorprendente notare che la massa dei quark contribuisce soltanto all'8% della massa di un protone. Il restante 92% è dovuto alla somma del contributo del bosone di Higgs (circa 1%) e ad effetti della cromodinamica quantistica, dunque energia cinetica dei quark (32%), energia cinetica dei gluoni (36%) ed energia di interazione tra quark e gluoni (23%). Da notare come la maggior parte della massa sia... energia! In realtà il 100% della massa è energia, perché le due definizioni sono fondamentalmente congruenti, ma manifestate in modo diverso. Non esiste un' "energia" o una "massa". Esistono diverse manifestazioni dell'energia, in vari campi, che danno luogo alla massa, così come dare luogo al moto di un corpo. Da notare come la massa delle particelle non sia misurata in grammi ma in elettronvolt (eV), un'unità di misura dell'energia definita come l'energia guadagnata (o persa) dalla carica elettrica di un singolo elettrone, che si muove nel vuoto tra due punti di una regione tra i quali vi è una differenza di potenziale elettrostatico di 1 volt.
Voi potreste chiedervi ma allora una tazzina di caffè caldo è più massiccia di una di caffè freddo?
La risposta è sì.
E possiamo calcolarlo:
Assumendo che il caffè caldo abbia un'energia in eccesso di 100 kJ, allora la differenza è la seguente:
Δm = E / c^2 = 100000 J / c^2 = 1*10^-12 kg, ovvero un miliardesimo di grammo più pesante.
Abbiamo applicato la famosa legge di Einstein: e = mc^2, nella sua formulazione inversa.
La massa propria, detta massa inerziale è una proprietà intrinseca della materia. La materia esercita una resistenza al cambiamento di stato (da quiete a moto o viceversa) ed è quantificabile con questa proprietà. Essa è immutabile perché in ogni angolo dell'universo la massa inerziale rimane identica. L'unità di misura della massa è il kilogrammo.
Il peso è una misura della forza di gravità con cui la Terra (o qualsiasi corpo dotato di massa) attira a sé un corpo avente una massa gravitazionale (che è uguale in quantità rispetto alla massa inerziale; questa distinzione esiste in meccanica classica per descrivere due fenomeni diversi, l'inerzia e l'attrazione gravitazionale). Per tale ragione, il peso è una proprietà relativa al luogo, e non al corpo. Se ci pesassimo con una bilancia sulla Luna ci renderemmo conto di pesare di meno, circa un sesto di quanto peseremmo sulla Terra. L'unità di misura del peso è il Netwon
Dire "io peso 70 kg" è tecnicamente errato ma comprensibile, dato che l'invariante è la costante di accelerazione gravitazionale (che sulla Terra è 9,81 m/s^2) e dunque quella che si attua è una conversione da peso e accelerazione in massa, ovvero "se io peso 686 N sulla Terra, allora ho una massa di 70kg".