ماده چیست؟

 رایج ترین تعریف در فیزیک برای “ماده” این است که هر چیزی که حجم و جرم داشته باشند را ماده می گویند. جهان ما علاوه بر فضا و زمان (مکان و زمان) از ماده + انرژی ساخته شده است. در واقع ماده بخش مهمی از دنیایی است که ما در آن زندگی می کنیم. در ادامه به بررسی ماهیت ماده و انواع آن می پردازیم.

بر اساس آزمایش هایی که در علم فیزیک انجام شده است، جهان ما از یک سری ذرات بنیادین ساخته شده است؛ ذراتی مثل فرمیون، لپتون، کوارک، بوزون و … . این ذرات با یکدیگر ترکیب شده و ذرات بزرگتر و اتم ها را می سازند. در واقع جهان ما از کوچکترین مقیاس گرفته تا مقیاس های بزرگی مثل کهکشان ها و … از این ذرات ساخته شده است که در حالت عام به آنها ماده می گوییم. در فیزیک تعریف مشخصی برای ماده وجود ندارد، اما معمولا هر چیزی را که جرم داشته باشد و تحت تاثیر گرانش قرار بگیرد را ماده می گویند. البته گاهی اینطور نتیجه گرفته میشود که جرم یک ذره هم ممکن است بر اثر حرکت آن ذره به وجود آمده باشد؛ به همین دلیل تعریف مشخصی از ماده در علم فیزیک وجود ندارد. این ذرات تحت حاکمیت نیروی های خاصی (نیرو های بنیادین گرانش، الکترومغناطیس، هسته ای قوی و هسته ای ضعیف) در کنار هم جمع می شوند و انواع اتم ها، عناصر و ترکیب ها را می سازند. از ستاره ها گرفته تا مواد آلی و تمام مواد سازنده بدن موجودات زنده.

در کیهان ماده در انواع مختلفی وجود دارد؛ از گاز های رقیق بین ستاره ای گرفته تا ماده درون سیاهچاله های بسیار پر جرم و پر چگال. همه این ماده ها از اتم ها ساخته نشده اند؛ بلکه از زیر واحد های کوچکتری که همان ذرات هستند تشکیل شده اند. یک سری از این ذرات را ذرات بنیادین می نامند و دلیل آن این است که این ذرات از زیر واحد های کوچکتری ساخته نشده اند. ذراتی مثل کوارک ها و الکترون ها از ذرات بنیادین به حساب می آیند. با این حال بیشتر ماده موجود در کیهان ماده معمولی نیست؛ بلکه ماده ای است به نام ماده تاریک؛ ذراتی مثل نوترینوها و یا ویمپ ها احتمالا ذراتی از اجزای ماده تاریک باشند.

ذرات گاهی با یکدیگر ترکیب می شوند و واحد های چند بخشی تر را مثل اتم ها و یون ها می سازند. اتم ها از ذراتی به نام کوارک و الکترون ساخته می شوند. کوارک ها نیز به وسیله ذرات بدون جرمی به نام گلئون ها گروه هایی را تشکیل می دهند که به آن ها پروتون و نوترون می گویند. پروتون و نوترون در ناحیه ای پر چگال در مرکز اتم قرار دارد و بیشتر حجم اتم را فضای خالی تشکیل می دهد. الکترون ها نیز در این فضای خالی به دور هسته اتم در حال چرخش هستند. الکترون ها جرم بسیار پایینی دارند و بیشتر جرم اتم در هسته آن قرار دارد؛ الکترون ها همچنین دارای بار الکتریکی منفی هستند و در مقابل، پروتون ها دارای بار مثبت هستند؛ از آنجایی که در هر اتم تعداد الکترون ها با تعداد پروتون ها برابر است بار الکتریکی اتم هم خنثی می شود. به خاطر همین اتم ها معمولا بدون بار هستند. حال اگر همین اتم ها الکترون از دست بدهند یا الکترون اضافی به دست بیاورند باردار می شوند که در حالت به آنها یون می گوییم.

اجتماع اتم ها، ماده های معمولی و مرئی را که میبینیم می سازند. اتم ها همچنین دارای تعداد مختلفی از پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها هستند؛ به خاطر همین انواع و مشخصات فیزیکی و شیمیای مختلفی نیز دارند. اگر اتم های سازنده یک ماده همه مشابه هم باشند، آن ماده را عنصر و اگر یک ماده از اتم های مختلفی (اتم های با تعداد الکترون، پروتون و نوترون های متفاوت) ساخته شده باشد آن را ترکیب می گوییم. این اتم ها، عناصر و ترکیب ها، انواع مواد موجود در طبیعت را می سازند. به عنوان مثال هیدروژن یکی از ساده ترین عناصر است که از اتم هایی تشکیل شده اند که هر کدام فقط دارای یک پروتون و یک الکترون هستند. آلومینیوم نیز یک عنصر است که از اتم هایی با 13 پروتون و 13 نوترون ساخته شده است.

تصویری شماتیک از یک اتم هلیم که دارای دو پروتون و دو الکترون است. گفتنی است که الکترون ها هنگام چرخش به دور هسته اتم، دارای مسیر و مدار تعیین شده و مشخصی نمی باشند.

در ترکیبات نیز انواع اتم ها باید به وسیله پیوند های خاصی در کنار یکدیگر قرار بگیرند. این پیوند ها را پیوند های شیمیایی می نامند (البته در یون ها، اتم ها با پیوند های یونی در کنار یکدیگر قرار میگیرند). در ترکیب ها، اشتراک اتم های مختلف را مولکول می گویند. به عنوان مثال آب یک ترکیب است که مولکول آن از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن ساخته می شود.

ماده حالت های مختلفی دارد؛ چهار حالت متداول برای ماده در نظر گرفته می شود به نام های جامد، مایع، گاز و پلاسما. این حالت ها به لحاظ انرژی موجود در ذراتشان و آزادی عملشان در حرکت با یکدیگر تفاوت دارند. این چهار حالت می توانند با از دست دادن یا گرفتن گرما از حالتی به حالتی دیگر تبدیل شوند. در جامد، اجزای سازنده اش به وسیله پیوند های بسیار قوی به یکدیگر متصل شده اند و ذرات در آن به سختی می توانند حرکت کنند. در مایع پیوند های ذرات نسبت به جامد ضعیف تر است و به راحتی می توانند حرکت کنند. در گاز ذرات با پیوند های بسیار ضعیفی کنار یکدیگر قرار گرفته اند و آزادی بیشتری نسبت به مایع دارند و در حین حرکت هم به طور اتفاقی با یکدیگر برخورد می کنند. هنگامی که یک گاز نیز به اندازه کافی داغ شود به پلاسما تبدیل می شود که در آن برخورد ذرات به یکدیگر به حدی است که باعث می شود الکترون ها از اتم هایشان به بیرون انداخته شوند؛ به خاطر همین پلاسما از یون ها و الکترون هایی تشکیل شده است که با انرژی بسیار زیاد در حال حرکت هستند. ستارگان از پلاسما ساخته شده اند و از آنجا که ستارگان بیشترین اجرام آسمانی را تشکیل می دهند، عمده ترین حالت ماده معمولی در کیهان هستند. بعد از پلاسما گاز عمده ترین حالت معمولی در کیهان است.

سحابی کارینا از ماده معمولی و گاز شکل تشکیل شده که شامل اتم ها و یون ها می باشد.

یک توپ پلاسما که در آن الکتریسته تحریک می شود تا از یک گوی فلزی باردار درون گاز به سطح کره شیشه ای جریان یابد. جنس این جریان های نور از پلاسما است. پلاسما به طور طبیعی در ستارگان وجود دارد.

ماده علاوه بر این حالت ها به شکل های مختلف دیگری نیز در کیهان وجود دارد. ماده تاریک، ماده ای است ناشناخته (کشف نشده) و فرضی که وجود آن در کیهان قابل پیش بینی است. ساختار این ماده هنوز ناشناخته است اما شواهد بسیار زیادی بر وجود داشتن آنها دلالت دارد. یکی از این شواهد، حرکت کهکشان ها در خوشه هایشان است؛ کهکشان ها بسیار سریع تر از آن حرکت می کنند که تحت تاثیر گرانش ماده مرئی باشند؛ یعنی برای توجیه حرکتشان باید جرم بسیار بسیار بیشتری وجود داشته باشد. طبق محاسبات پیش بینی شده است که مقدار ماده تاریک موجود در جهان، بسیار بیشتر از ماده معمولی باشد.