La materia es un comportamiento, no algo.
Acabo de escribir una respuesta a una pregunta similar aquí: ¿Cuál es la diferencia entre masa y materia? pero para ahorrarle un “clic”, copié el material relevante aquí.
IMPORTAR
Una analogía para principiantes: imagina una guitarra con 17 cuerdas y tocamos una de las cuerdas.
- ¿Por qué se considera que la teoría de cuerdas es muy difícil y hay campos en física que se consideran más difíciles?
- ¿Existe una relación más profunda entre el fotón y el gluón que el hecho de que ambos son bosones, o se teoriza?
- ¿Los fotones tienen masa?
- ¿Qué tan predictivo es el modelo estándar de física de partículas?
- ¿Cómo puede una partícula cuántica tener un momento diferente al mismo tiempo?
Una cadena representa un campo cuántico fundamental. La nota musical que obtienes al excitar la cuerda, digamos G #, es una partícula. Todas las cuerdas vibratorias tienen energía, y si la energía se mueve más lentamente que la velocidad de la luz, le damos el nombre de “masa”. Nuestra guitarra tiene 17 cuerdas porque hay 17 campos fundamentales descubiertos hasta ahora (ver más abajo). De las 17 cadenas, 12 de ellas tocan notas de materia y 5 tocan notas de no materia (la diferencia se explica en la sección de definiciones).
Podemos tocar acordes en nuestra guitarra; toquemos un acorde llamado “el protón”. Este acorde requiere 3 notas de materia: 2 llamadas “quark up” y una llamada “quark down”. Para combinar nuestros 3 quarks en el hermoso protón que suena, necesitamos muchas otras notas llamadas gluones que hacen exactamente lo que su nombre sugiere y unen los quarks. También hay una cadena llamada Higgs, y las notas de quark resonarán con la cadena de Higgs, lo que hará que vibre y se junten de tal manera que los quarks y, por lo tanto, todo el protón se mueva más lento que la luz. Las notas de gluón no hacen vibrar la cuerda de Higgs.
La ” masa ” del protón es la suma de todas las energías de todo este desorden vibratorio, incluidas todas las notas de velocidad de la luz y las partes de menos velocidad de la luz; Esto se debe a que las partes de velocidad de la luz están contenidas dentro del protón más lento que la luz. Aproximadamente el 98% de la masa está asociada con el campo de gluones y aproximadamente el 2% es del campo de Higgs.
NOTAS : Las cuerdas de guitarra están hechas de metal o nylon, los campos cuánticos no están hechos de nada. Usé la palabra “cadena” y también los teóricos de cuerdas, pero esas cadenas son diferentes. En ninguna parte digo “nota o partícula de Higgs” porque es así, mientras que el campo de Higgs puede resonar, es decir, acoplarse a otros campos (no todos), el campo de Higgs puede tocar su propia nota llamada “bosón de Higgs”. Las descripciones colectivas de los acoplamientos de Higgs y el bosón de Higgs se llaman propiamente mecanismo de Higgs.
Definiciones
Materia, la definición: La materia es cualquier excitación de un “campo de materia” cuántico o colecciones de tales excitaciones. Esto incluye, pero no se limita a, todas las partículas fermiónicas, núcleos, átomos, moléculas, sólidos, líquidos y gases.
La materia, su característica definitoria : las partículas de materia se pueden usar como bloques de construcción, son los ladrillos LEGO del universo. Las partículas que no son materia pueden ocupar en el mismo lugar al mismo tiempo (técnicamente, ocupan el mismo estado cuántico) y cualquier cantidad de ellas puede empaquetarse en un volumen arbitrariamente pequeño. En la analogía de la guitarra, las ondas en la cuerda pueden superponerse (es decir, superposición). Las partículas de materia no pueden hacer esto: las partículas de materia no pueden ocupar el mismo lugar al mismo tiempo, pero pueden sentarse una al lado de la otra, necesitan volúmenes más grandes y, por lo tanto, pueden usarse para construir las estructuras en nuestro universo. La materia es una descripción del comportamiento , no una cantidad fundamental. La materia es ese comportamiento de, por ejemplo, quarks y electrones, que les permite convertirse en jirafas, computadoras, dióxido de carbono y planetas: “Una casa construida de fotones no puede sostenerse”.
NOTA: Es aceptable usar “materia” en un contexto no riguroso de una manera cotidiana para significar “cosas”, como en el término “materia oscura”. También es aceptable hacer esto con energía: si digo “no tengo la energía para lavar la ropa hoy”; La energía en este contexto se refiere a mi estado emocional y no a una simetría particular de mi lagrangiano (una forma técnica en que los físicos definen la energía).
MASA
- La definición técnica : para un objeto o sistema, la masa es una cantidad invariante relativista igual a la pseudo norma de su momento 4-vector.
- Una definición no técnica : Masa es el nombre que le damos a toda la energía y el impulso, sumados, que están dentro de un objeto.
La conexión : las 2 definiciones anteriores parecen lo suficientemente diferentes como para merecer una explicación. Cada partícula en algún sistema de partículas tiene un vector de 4 componentes que describe su energía y momento. Existe una forma en la dinámica relativista de agregar los componentes de las partículas de tal manera que se obtenga la masa de ese sistema. Esto es imposible en la práctica cuando hay billones de billones de partículas, por lo que determinamos la masa de un objeto utilizando una de las otras propiedades de la energía: la inercia y la gravitación.
La gran pregunta es …
Si la masa y la materia son fundamentalmente diferentes, ¿cómo se pueden convertir entre sí?
NO PUEDEN -¡Son completamente y fundamentalmente diferentes!
- La masa es una cantidad invariante relativista
- La materia es una descripción de un tipo particular de comportamiento.
Sin embargo … las partículas son excitaciones de campos cuánticos, que tienen energía, momento y otras propiedades, y estas cantidades pueden transferirse a otros campos cuánticos (¡por supuesto, teniendo en cuenta las leyes de conservación apropiadas!).
Un ejemplo simple : un electrón y un anti-electrón se aniquilan entre sí y producen un par de fotones de rayos gamma.
La analogía: el electrón y el anti-electrón son excitaciones en un campo cuántico (notas en la guitarra). Cuando interactúan, se aniquilan entre sí, lo cual es una forma elegante de decir que toda su energía (y otras propiedades definitorias) se transfirieron a una cuerda o cuerdas de guitarra diferentes, y en este ejemplo la energía transferida al campo cuántico electromagnético) que produce excitaciones en ese campo que llamamos fotones.
La desaparición y la creación de partículas es solo la combinación de energía entre campos. Si algunas de esas partículas se mueven más lentamente que los fotones, entonces parte de su energía se llama “masa”. Si algunas de esas partículas tienen un giro no entero, entonces se llaman “materia”. Sin conexión entre ellos, la física de las interacciones de partículas depende de las leyes de conservación y no de las cantidades anteriores o posteriores de masa o materia.
Aquí hay una tabla de las partículas fundamentales; El 6 verde y el 6 púrpura son las partículas de materia. Son solo las partículas de la Generación I las que influyen en la materia cotidiana. 
