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Materie (Physik)
Unter Materie (von lateinisch materia, Stoff) versteht man in der klassischen Physik und der Chemie alles, was Platz braucht und Masse hat, …
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Grundbegriff und moderne Abgrenzung
Materie bedeutet in der klassischen Physik und Chemie alles, was Platz braucht und Masse hat. Dazu gehören chemische Stoffe, Materialien und ihre Bausteine. Der Gegenbegriff ist dort der leere Raum beziehungsweise das Vakuum sowie ein Kraftfeld, wenn es unabhängig von Materie einen Zustand des Raums beschreibt und nicht mit einer Masse verbunden ist.
In der modernen Physik ist diese Abgrenzung nicht mehr eindeutig. Lehrbücher verwenden den Begriff Materie oft, ohne ihn genau zu definieren. In einer engen modernen Bedeutung meint Materie alle Elementarteilchen mit Spin 1/2, also Quarks und Leptonen, sowie alles, was daraus aufgebaut ist: Atome, Moleküle, feste, flüssige und gasförmige Stoffe, Sterne und Galaxien. Spin ist eine quantenphysikalische Eigenschaft von Teilchen.
Klassischer Materiebegriff
Der klassische Materiebegriff entspricht weitgehend dem alltäglichen Verständnis von materiellen Dingen: Materie ist körperlich, hat Masse und nimmt Raum ein. Ein Stück Materie besitzt zu jedem Zeitpunkt eine bestimmte Masse und eine bestimmte Form, mit der es ein bestimmtes Volumen ausfüllt. Mengen von Materie werden daher mit Masse und Volumen beschrieben; im Alltag wird Masse oft ungenau als „Gewicht“ bezeichnet.
Makroskopische Materie, also Materie in für uns großen Mengen, kann den Sinnen als gleichmäßiges Kontinuum erscheinen. Trotzdem besteht sie aus einzelnen Materieteilchen. Diese Teilchen sind für die direkte Wahrnehmung und für das Lichtmikroskop viel zu klein. Die genaueste Angabe einer Materiemenge ist die Teilchenzahl; bei makroskopischen Mengen verwendet man dafür die physikalische Größe Stoffmenge. Dabei muss immer angegeben werden, um welche Teilchenart es geht.
In klassischer Physik und Chemie galten Atome und Moleküle als die Bausteine der Materie. Atome wurden als unteilbare Körperchen mit bestimmter Masse und bestimmtem Volumen verstanden. Sie sollten stabil sein und weder erzeugt noch vernichtet werden können. Diese Vorstellung passte zu der damals beobachteten Erhaltung der Masse bei chemischen und physikalischen Umwandlungen, erwies sich aber Anfang des 20. Jahrhunderts als nicht vollständig richtig.
Entwicklung und Einheit der Materie
Ein physikalischer Materiebegriff entstand, als sich um 1600 die experimentellen Naturwissenschaften entwickelten. Zu den grundlegenden Eigenschaften materieller Körper zählte man Ausdehnung, Teilbarkeit, Ruhe oder Bewegung sowie Widerstand gegen Bewegung. Lange war unklar, wie die Menge der Materie zu bestimmen sei. Johannes Kepler näherte sich dem über die Trägheit, René Descartes über die Raumerfüllung. Isaac Newton verband Materie mit Masse: Die Materiemenge bestimmte er durch Volumen und Dichte, und die Masse eines Körpers erklärte sowohl seine Trägheit als auch sein Gewicht.
Im 17. Jahrhundert wurden auch Gase als physikalische Körper erkannt, nachdem unter anderem Robert Boyle, Edme Mariotte und Blaise Pascal zeigten, dass Luft mechanische Eigenschaften und Gewicht hat. Boyle deutete Verdampfen, Kondensieren und Sublimieren mit einer atomistischen Struktur der Materie: Atome können sich verschieden anordnen, in Gasen liegen sie weit auseinander. Später wies Antoine de Lavoisier die Erhaltung der Masse bei chemischen Umwandlungen nach. John Dalton machte ab 1803 unveränderliche Atome zur Grundlage einer neuen Chemie.
Die Frage, ob alle Materie aus einer einheitlichen Grundlage besteht, blieb wichtig. Ab 1860 zeigte die Spektralanalyse, dass die Elemente in Sonne und Sternen auch auf der Erde vorkommen. William Prout vermutete 1815, alle Atome seien aus Wasserstoffatomen aufgebaut. Spätere Entdeckungen zu Isotopen sowie Ernest Rutherfords Erkenntnis um 1920, dass größere Atomkerne Wasserstoffkerne enthalten, führten zeitweise zu der Vorstellung, Materie bestehe aus Protonen und Elektronen. Paul Dirac sagte 1930 Antiteilchen voraus, doch die Idee, das Proton als Antiteilchen des Elektrons zu deuten, scheiterte.
Im Standardmodell, das ab etwa 1970 die vielen bekannten Teilchen ordnete, lässt sich der Aufbau der Materie und der physikalischen Prozesse nach heutigem Wissen deuten, mit Ausnahme der Gravitation. Materie im ursprünglichen Sinn der fühlbaren Körper besteht aus Elektron, up-Quark und down-Quark. Zählt man alle Leptonen und Quarks mit Antiteilchen als Materieteilchen, sind es 48 Arten; mit Kraftteilchen und Higgs-Boson insgesamt 61. String-Theorie und Präonen-Modelle suchen weiter nach einer tieferen Einheit, sind aber experimentell noch nicht überprüfbar und daher hypothetisch.
Grenzen des modernen Materiebegriffs
Die moderne Physik zeigt, dass Atome keine unteilbaren Bausteine sind. Sie bestehen aus Elektronen und Quarks. Diese Teilchen haben zwar Masse, aber kein nachweisbares Eigenvolumen. Außerdem können alle Elementarteilchen unter bestimmten Bedingungen erzeugt und vernichtet werden. Damit besitzen die Grundbausteine der Materie nicht mehr alle Eigenschaften, die die klassische Physik Materie zuschrieb.
Auch der Gegensatz zwischen massereicher Materie und masselosem Feld ist nicht mehr eindeutig. Nach der Äquivalenz von Masse und Energie tragen eingeschlossene Felder zur Masse eines Objekts bei. In der Quantenfeldtheorie ist jedes Elementarteilchen eine diskrete Anregung eines Feldes im Vakuum.
Je nach Kriterium kann man deshalb unterschiedlich entscheiden, was zur Materie zählt. Nimmt man nichtverschwindende Masse als Kriterium, würden auch W- und Z-Bosonen dazugehören, obwohl sie keinen bestimmten Raum einnehmen und nicht dauerhaft sind. Nimmt man Stabilität und Erhaltung der Teilchenzahl als Kriterium, bleiben vor allem Quarks und Leptonen sowie ihre Antiteilchen. Allerdings stammt über 99 % der Masse gewöhnlicher Körper von Protonen und Neutronen; deren Masse kommt wiederum fast zu 99 % aus Bindungsenergie zwischen Quarks, verursacht durch masselose Gluonen.
Makroskopische Formen und Eigenschaften
Eine Sorte von Materie mit bestimmter Zusammensetzung und bestimmten Eigenschaften heißt Stoff. Chemische Elemente bestehen aus Atomen gleicher Ordnungszahl, also mit gleicher Protonenzahl im Kern. Chemische Verbindungen enthalten Atome verschiedener Elemente in festen Zahlenverhältnissen, etwa als Moleküle oder Kristalle. Ihre Eigenschaften können ganz anders sein als die der enthaltenen Elemente: Sauerstoff ist ein farbloses Gas, Silicium ein Halbmetall, die Verbindung SiO2 ist als Quarz ein transparentes, kristallines Mineral.
Reinstoffe bestehen nur aus einem Element oder einer Verbindung. Stoffgemische bestehen aus mehreren Elementen oder Verbindungen. Man unterscheidet homogene Gemische, zum Beispiel Lösungen, und heterogene Gemische, zum Beispiel Emulsionen, Dispersionen oder Aerosole. Granit ist ein heterogenes Gemisch aus Quarz, Glimmer und Feldspat.
Stoffe werden durch Materialeigenschaften beschrieben, etwa Dichte, Elastizität, Farbe, Bruchfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit, magnetische Eigenschaften und elektrische Leitfähigkeit. Diese Eigenschaften hängen auch von Temperatur und Druck ab. Sie sind intensive Größen, das heißt, sie hängen nicht von der Größe des betrachteten Systems ab. Ein zusammenhängendes Gebilde von Materie heißt Körper; sein Verhalten hängt zusätzlich von extensiven Größen ab, etwa Masse, räumlicher Ausdehnung und äußerer Form.
Makroskopische Reinstoffe liegen fest, flüssig, gasförmig oder als Plasma vor. Plasma ist ein Gemisch aus ionisierten Atomen und freien Elektronen. Feste und flüssige Stoffe heißen kondensierte Materie und sind im Unterschied zu Gasen nur wenig kompressibel. Flüssigkeiten und Gase heißen Fluide, weil sie keine dauerhafte Form haben. Im Teilchenmodell erklärt sich das durch die Anordnung und Bewegung der Teilchen: In Gasen bewegen sich Teilchen weitgehend frei, in Festkörpern sind sie dicht und fest angeordnet, in Flüssigkeiten dicht beieinander, aber beweglicher. Ein Gas wird zum Plasma, wenn Zusammenstöße energiereich genug sind, um Elektronen abzureißen.
Besondere Materieformen, Vorkommen und Entstehung
Zwischen mikroskopischer und makroskopischer Materie liegt mesoskopische Materie, zum Beispiel Cluster und Nanopartikel. Sie bestehen aus bis zu einigen zehntausend Atomen oder Molekülen, sind weniger als etwa 100 nm groß und für das Auge einzeln unsichtbar. Wegen ihrer geringen Größe können sie sich anders verhalten als derselbe Stoff in makroskopischer Menge.
In Kernphysik und Elementarteilchenphysik unterscheidet man Formen wie Kernmaterie, Seltsame Materie, Quark-Gluon-Plasma und Antimaterie. Antimaterie besteht aus Antiteilchen der normalen Materieteilchen. Antimaterie und normale Materie verhalten sich nach den Gesetzen der Elementarteilchenphysik gleich, vernichten sich aber beim Zusammentreffen gegenseitig unter Entstehung von Vernichtungsstrahlung. Dunkle Materie ist in Astronomie und Kosmologie nur durch Gravitation belegt; außer ihrer Masse ist ihre Natur unbekannt. Normale Materie wird zur Unterscheidung baryonische Materie genannt. Teilchenstrahlung besteht aus schnell bewegten Materieteilchen und gehört zu keinem bestimmten Aggregatzustand.
Im beobachtbaren Universum, einem kugelförmigen Volumen mit einem Radius von ca. 46 Milliarden Lichtjahren, wird die Gesamtmasse der baryonischen Materie auf 1,5·10^53 kg geschätzt; inklusive Dunkler Materie wären es ziemlich genau 10^54 kg. Nach dem Lambda-CDM-Modell liegen etwa 17 % der gesamten Masse als baryonische Materie vor. Im Universum gibt es etwa 10^22 bis 10^23 Sterne. Weitere baryonische Materie liegt als interstellare oder intergalaktische Materie vor, also als Gas, Staub und größere Klumpen wie Planeten. Den Großteil der Masse des Universums stellt nicht-baryonische Dunkle Materie.
Die Entstehung der Materie wird im kosmologischen Standardmodell mit dem Urknall verbunden, dem heißen, energiereichen Beginn der Raumzeit. Beschreibbar ist das Universum erst ab dem Ende der Planck-Ära; die Temperatur wird auf ca. 10^30 K geschätzt. Beim Ausdehnen und Abkühlen entstanden nacheinander Elementarteilchen, nach Baryogenese und weitgehender Vernichtung von Teilchen und Antiteilchen blieb ein Übergewicht von Materie. Danach bildeten sich Kerne von Deuterium, Tritium sowie Helium- und Lithiumisotopen, später neutrale Atome. Aus Gas und Staub entstanden durch Gravitation Sterne. In Sternen bildet Kernfusion Elemente bis etwa Eisen; schwerere Elemente entstehen durch Neutroneneinfänge und anschließende Betazerfälle, teils in AGB-Sternen, teils in Supernovae.
