موضوع

المادة مصطلح عام يصف أي مادة فيزيائية، ويُعرَّف أحيانًا بطرق متضاربة في مختلف فروع العلوم. تستند بعض التعريفات إلى استخدامات تاريخية من زمن لم يكن فيه مبرر للتمييز بين الكتلة وكمية المادة فحسب . في المقابل، الكتلة ليست مادة، بل هي خاصية محددة وواسعة النطاق للمادة وغيرها من المواد أو الأنظمة. تُعرَّف أنواع مختلفة من الكتلة في الفيزياء ، منها كتلة السكون ، والكتلة العطالية ، والكتلة النسبية . 

في الفيزياء، تُعتبر المادة أحيانًا مرادفةً للجسيمات التي تمتلك كتلة سكون (أي التي لا تستطيع التحرك بسرعة الضوء)، مثل الكواركات واللبتونات. مع ذلك، في كلٍّ من الفيزياء والكيمياء، تُظهر المادة خصائص موجية وجسيمية على حدٍّ سواء (ما يُعرف بازدواجية الموجة والجسيم ) . ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

يُعرَّف "المادة" بناءً على تركيبها الفيزيائي والكيميائي على النحو التالي: تتكون المادة من ذرات . ^{[ 16 ]} تُسمى هذه المادة الذرية أحيانًا بالمادة العادية . على سبيل المثال، تُعد جزيئات الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) مادةً وفقًا لهذا التعريف لأنها تتكون من ذرات. يمكن توسيع هذا التعريف ليشمل الذرات والجزيئات المشحونة، بما في ذلك البلازما (غازات الأيونات) والإلكتروليتات (المحاليل الأيونية)، والتي لا يشملها تعريف الذرات بشكل واضح. بدلاً من ذلك، يمكن اعتماد تعريف البروتونات والنيوترونات والإلكترونات .

يُعرَّف مفهوم "المادة" بتعريف أدق من تعريف الذرات والجزيئات على النحو التالي: تتكون المادة مما تتكون منه الذرات والجزيئات ، أي أي شيء يتكون من بروتونات موجبة الشحنة ، ونيوترونات متعادلة، وإلكترونات سالبة الشحنة . ^{[ 17 ]} إلا أن هذا التعريف يتجاوز الذرات والجزيئات ليشمل موادًا تتكون من هذه الوحدات البنائية، ولكنها ليست مجرد ذرات أو جزيئات، مثل حزم الإلكترونات في أجهزة التلفاز القديمة ذات أنبوب أشعة الكاثود ، أو مادة الأقزام البيضاء - وهي عادةً نوى الكربون والأكسجين في بحر من الإلكترونات المتدهورة. على المستوى المجهري، تخضع "جسيمات" المادة، مثل البروتونات والنيوترونات والإلكترونات، لقوانين ميكانيكا الكم، وتُظهر ازدواجية الموجة والجسيم. وعلى مستوى أعمق، تتكون البروتونات والنيوترونات من الكواركات ومجالات القوى ( الغلوونات ) التي تربطها معًا، مما يقودنا إلى التعريف التالي.

كما رأينا في المناقشة السابقة، استندت العديد من التعريفات المبكرة لما يُمكن تسميته "المادة العادية" إلى بنيتها أو "وحداتها البنائية". وعلى مستوى الجسيمات الأولية، يُمكن صياغة تعريف يتبع هذا النهج على النحو التالي: "المادة العادية هي كل ما يتكون من الكواركات واللبتونات " ، أو "المادة العادية هي كل ما يتكون من أي فرميونات أولية باستثناء الكواركات المضادة واللبتونات المضادة". ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} ويتضح من ذلك العلاقة بين هذه الصيغ.

تتحد اللبتونات (أشهرها الإلكترون ) والكواركات (التي تُصنع منها الباريونات ، مثل البروتونات والنيوترونات ) لتكوين الذرات ، التي بدورها تُكوّن الجزيئات . ولأن الذرات والجزيئات تُعتبر مادة، فمن الطبيعي صياغة تعريفها على النحو التالي: "المادة العادية هي أي شيء مصنوع من نفس المواد التي تُصنع منها الذرات والجزيئات". (مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أنه يمكن أيضًا تكوين مادة من هذه الوحدات البنائية ليست ذرات أو جزيئات). ولأن الإلكترونات من اللبتونات، والبروتونات والنيوترونات مصنوعة من الكواركات، فإن هذا التعريف يؤدي بدوره إلى تعريف المادة بأنها "الكواركات واللبتونات"، وهما نوعان من الأنواع الأربعة للفيرميونات الأولية (النوعان الآخران هما الكواركات المضادة واللبتونات المضادة، والتي يمكن اعتبارها مادة مضادة كما سيتم شرحه لاحقًا). يذكر كارثرز وغرانيس: "تتكون المادة العادية بالكامل من جسيمات الجيل الأول ، وهي الكواركات [العلوية] والسفلى، بالإضافة إلى الإلكترون ونيوترينوه." ^{[ 19 ]} (تتحلل جسيمات الأجيال الأعلى بسرعة إلى جسيمات الجيل الأول، وبالتالي لا يتم مواجهتها بشكل شائع. ^{[ 21 ]} )

إن تعريف المادة العادية هذا أكثر دقة مما يبدو للوهلة الأولى. فجميع الجسيمات التي تُكوّن المادة العادية (اللبتونات والكواركات) هي فرميونات أولية، بينما جميع حاملات القوة هي بوزونات أولية. ^{[ 22 ]} أما بوزونات W وZ التي تنقل القوة الضعيفة فهي ليست مصنوعة من الكواركات أو اللبتونات، وبالتالي فهي ليست مادة عادية، حتى وإن كانت لها كتلة. ^{[ 23 ]} بعبارة أخرى، الكتلة ليست حكرًا على المادة العادية.

مع ذلك، فإن تعريف المادة العادية باستخدام الكواركات واللبتونات لا يقتصر على تحديد اللبنات الأساسية للمادة فحسب، بل يشمل أيضًا المركبات المكونة من هذه المكونات (كالذرات والجزيئات، على سبيل المثال). تحتوي هذه المركبات على طاقة تفاعل تربط مكوناتها معًا، وقد تشكل الجزء الأكبر من كتلة المركب. فعلى سبيل المثال، تُعد كتلة الذرة، إلى حد كبير، مجموع كتل مكوناتها من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. ولكن بالتعمق أكثر، نجد أن البروتونات والنيوترونات تتكون من كواركات مرتبطة ببعضها بواسطة حقول غلوونية (انظر ديناميكيات الكروموديناميكا الكمومية )، وتساهم هذه الحقول الغلوونية بشكل كبير في كتلة الهادرونات. ^{[ 24 ]} بعبارة أخرى، فإن معظم ما يشكل "كتلة" المادة العادية يعود إلى طاقة ربط الكواركات داخل البروتونات والنيوترونات. ^{[ 25 ]} على سبيل المثال، يبلغ مجموع كتل الكواركات الثلاثة في النيوكليون تقريبًا12.5 ميغا إلكترون ^فولت / ثانية²  ، وهي قيمة منخفضة مقارنة بكتلة النيوكليون (تقريبًا).938 MeV/ c ²  ). ^{[ 26 ] [ 27 ]} الخلاصة هي أن معظم كتلة الأشياء اليومية تأتي من طاقة التفاعل لمكوناتها الأولية.

يُصنّف النموذج القياسي جسيمات المادة إلى ثلاثة أجيال، يتألف كل جيل منها من كواركين وليبتونين. الجيل الأول هو الكوارك العلوي والسفلي ، والإلكترون ونيوترينو الإلكترون ؛ أما الجيل الثاني فيشمل الكوارك الساحر والغريب ، والميون ونيوترينو الميون ؛ بينما يتألف الجيل الثالث من الكوارك العلوي والسفلي ، والتاو ونيوترينو التاو . ^{[ 28 ]} التفسير الأكثر منطقية لذلك هو أن الكواركات والليبتونات في الأجيال الأعلى هي حالات مثارة للأجيال الأولى. إذا ثبتت صحة هذا، فسيعني ذلك أن الكواركات والليبتونات جسيمات مركبة ، وليست جسيمات أولية . ^{[ 29 ]}

يؤدي هذا التعريف للمادة القائم على الكواركات واللبتونات إلى ما يمكن وصفه بقوانين "حفظ المادة (الصافية)"، والتي سنناقشها لاحقًا. وبدلاً من ذلك، يمكن العودة إلى مفهوم المادة القائم على الكتلة والحجم والفضاء، مما يؤدي إلى التعريف التالي الذي تُدرج فيه المادة المضادة كفئة فرعية من المادة.

التعريف الشائع أو التقليدي للمادة هو "أي شيء له كتلة وحجم (يشغل حيزًا )". ^{[ 30 ] [ 31 ]} على سبيل المثال، يُقال إن السيارة مصنوعة من المادة، لأنها لها كتلة وحجم (تشغل حيزًا) .

إن ملاحظة أن المادة تشغل حيزًا تعود إلى العصور القديمة. ومع ذلك، فإن تفسير سبب شغل المادة للحيز حديث نسبيًا، ويُعتقد أنه ناتج عن الظاهرة الموصوفة في مبدأ استبعاد باولي ^{[ 32 ] [ 33 ]} ، والذي ينطبق على الفرميونات . ومن الأمثلة المحددة التي يربط فيها مبدأ الاستبعاد المادة بشغل الحيز بوضوح، النجوم القزمة البيضاء والنجوم النيوترونية، والتي سنناقشها بمزيد من التفصيل لاحقًا.

وبالتالي، يمكن تعريف المادة بأنها كل ما يتكون من فرميونات أولية. ورغم أننا لا نصادفها في حياتنا اليومية، فإن الكواركات المضادة (مثل البروتون المضاد ) واللبتونات المضادة (مثل البوزيترون ) هي الجسيمات المضادة للكوارك واللبتون، وهي فرميونات أولية أيضًا، ولها نفس خصائص الكواركات واللبتونات تقريبًا، بما في ذلك تطبيق مبدأ استبعاد باولي الذي يمنع جسيمين من التواجد في نفس المكان في نفس الوقت (في نفس الحالة)، أي أن كل جسيم "يشغل حيزًا". ويؤدي هذا التعريف تحديدًا إلى تعريف المادة لتشمل أي شيء مصنوع من هذه الجسيمات المضادة للمادة، بالإضافة إلى الكوارك واللبتون العاديين، وبالتالي أي شيء مصنوع من الميزونات ، وهي جسيمات غير مستقرة تتكون من كوارك وكوارك مضاد.

في سياق النسبية ، لا تُعتبر الكتلة كميةً جمعية، بمعنى أنه لا يمكن جمع كتل السكون للجسيمات في نظام ما للحصول على كتلة السكون الكلية للنظام. ^{[ 1 ] : 21} في النسبية، يُنظر عادةً إلى الأمر من منظور أعمّ، وهو أن مجموع كتل السكون ليس هو ما يُحدد كمية المادة ، بل موتر الطاقة-الزخم . يُعطي هذا الموتر كتلة السكون للنظام بأكمله. ولذلك، تُعتبر المادة أحيانًا أي شيء يُساهم في طاقة-زخم النظام، أي أي شيء ليس مجرد جاذبية. ^{[ 34 ] [ 35 ]} هذا الرأي شائع في المجالات التي تتعامل مع النسبية العامة ، مثل علم الكونيات . وفقًا لهذا الرأي، يُعد الضوء والجسيمات والمجالات الأخرى عديمة الكتلة جزءًا من المادة.

الكواركات جسيمات ضخمة ذات لف مغزلي يساوي ½ ، مما يعني أنها فرميونات. تحمل شحنة كهربائية مقدارها -³e (للكواركات السفلية) أو + ²e ( للكواركات العلوية ) . للمقارنة، يحمل الإلكترون شحنة مقدارها -1e . كما تحمل الكواركات شحنة لونية ، وهي مكافئة للشحنة الكهربائية في التفاعل القوي . وتخضع الكواركات أيضًا للتحلل الإشعاعي ، مما يعني أنها تتأثر بالتفاعل الضعيف .   

الباريونية

الباريونات هي فرميونات تتفاعل بقوة، ولذا تخضع لإحصاءات فيرمي-ديراك. من بين الباريونات البروتونات والنيوترونات، الموجودة في نوى الذرات، ولكن توجد أيضًا العديد من الباريونات غير المستقرة الأخرى. يشير مصطلح الباريون عادةً إلى ثلاثي الكواركات - وهي جسيمات تتكون من ثلاثة كواركات. كما تُعرف الباريونات "الغريبة" المكونة من أربعة كواركات وكوارك مضاد واحد باسم خماسي الكواركات ، ولكن وجودها ليس مقبولًا على نطاق واسع.

المادة الباريونية هي جزء من الكون يتكون من الباريونات (بما في ذلك جميع الذرات). ولا يشمل هذا الجزء من الكون الطاقة المظلمة ، أو المادة المظلمة ، أو الثقوب السوداء ، أو مختلف أشكال المادة المتدهورة، مثل تلك التي تُكوّن النجوم القزمة البيضاء والنجوم النيوترونية . وتشير بيانات مسبار ويلكنسون لقياس تباين الموجات الميكروية (WMAP) إلى أن حوالي 4.6% فقط من ذلك الجزء من الكون الذي يقع ضمن نطاق أفضل التلسكوبات (أي المادة التي يمكن رؤيتها لأن الضوء الصادر منها يصل إلينا) يتكون من المادة الباريونية. بينما تُشكّل المادة المظلمة حوالي 26.8%، والطاقة المظلمة حوالي 68.3%. ^{[ 37 ]}

إن الغالبية العظمى من المادة العادية في الكون غير مرئية، حيث أن النجوم المرئية والغاز داخل المجرات والتجمعات النجمية لا تمثل سوى أقل من 10% من مساهمة المادة العادية في كثافة الكتلة والطاقة للكون. ^{[ 38 ]}

الليبتونات جسيمات ذات لف مغزلي يساوي ½ ، أي أنها فرميونات. تحمل شحنة كهربائية مقدارها -1e ( ليبتونات مشحونة) أو 0e ( نيوترينوات). على عكس الكواركات، لا تحمل الليبتونات شحنة لونية ، مما يعني أنها لا تخضع للتفاعل القوي . كما تخضع الليبتونات للتحلل الإشعاعي، مما يعني أنها تخضع للتفاعل الضعيف . الليبتونات جسيمات ذات كتلة، ولذلك تخضع للجاذبية.  

في علم الكونيات ، تُطلق الطاقة المظلمة على مصدر التأثير الطارد الذي يُسرّع من وتيرة تمدد الكون . ولا تزال طبيعتها الدقيقة لغزًا، على الرغم من إمكانية نمذجة آثارها بشكل معقول من خلال إسناد خصائص شبيهة بالمادة، مثل كثافة الطاقة والضغط، إلى الفراغ نفسه. ^{[ 72 ] [ 73 ]}

يبدو أن 70% من كثافة المادة في الكون تتخذ شكل طاقة مظلمة. 26% منها مادة مظلمة، و4% فقط مادة عادية. أي أن أقل من جزء واحد من كل 20 يتكون من مادة رصدناها تجريبياً أو وصفناها في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. أما النسبة المتبقية البالغة 96%، فلا نعرف عنها شيئاً سوى الخصائص المذكورة آنفاً.

في الهند القديمة ، افترضت التقاليد الفلسفية البوذية والهندوسية والجاينية أن المادة تتكون من ذرات ( بارامانو ، بودغالا ) "أزلية، غير قابلة للفناء، بلا أجزاء، ولا تُحصى" ، والتي تتحد أو تتفكك لتكوين مادة أكثر تعقيدًا وفقًا لقوانين الطبيعة . ^{[ 6 ]} وقد ربطوا أفكارهم عن الروح، أو غيابها، بنظريتهم للمادة. وكان أبرز مطوري هذه النظرية والمدافعين عنها مدرسة نيايا - فايشيشيكا ، حيث حظيت أفكار الفيلسوف الهندي كانادا بأكبر قدر من الاتباع. ^{[ 6 ] [ 7 ]} كما طور الفلاسفة البوذيون هذه الأفكار في أواخر الألفية الأولى الميلادية، وهي أفكار مشابهة لمدرسة فايشيشيكا، ولكنها لم تتضمن أي روح أو وعي. ^{[ 6 ]} أما الفلاسفة الجاينيون فقد أضافوا الروح ( جيفا )، مُضيفين صفات مثل الطعم والرائحة واللمس واللون إلى كل ذرة. ^{[ 78 ]} لقد وسّعوا الأفكار الموجودة في الأدبيات الهندوسية والبوذية المبكرة بإضافة أن الذرات إما رطبة أو جافة، وهذه الخاصية هي التي تُصلِح المادة. كما اقترحوا إمكانية أن تتحد الذرات بسبب تجاذب الأضداد، وأن الروح تلتصق بهذه الذرات، وتتحول مع بقايا الكارما ، وتنتقل مع كل ولادة جديدة . ^{[ 6 ]}

في اليونان القديمة ، تكهّن فلاسفة ما قبل سقراط بالطبيعة الكامنة وراء العالم المرئي. اعتبر طاليس (حوالي 624 ق.م. - حوالي 546 ق.م.) الماء المادة الأساسية للعالم. وافترض أناكسيماندر (حوالي 610 ق.م. - حوالي 546 ق.م.) أن المادة الأساسية عديمة الصفات أو لا حدود لها: اللانهائي ( أبيرون ). وافترض أناكسيمينس (ازدهر عام 585 ق.م.، وتوفي عام 528 ق.م.) أن المادة الأساسية هي الروح أو الهواء. ويبدو أن هيراقليطس (حوالي 535 ق.م. - حوالي 475 ق.م.) يقول إن العنصر الأساسي هو النار، وإن كان ربما يقصد أن كل شيء في تغير. وتحدث إمبيدوكليس (حوالي 490-430 ق.م.) عن أربعة عناصر يتكون منها كل شيء: الأرض والماء والهواء والنار. ^{[ 79 ]} في الوقت نفسه، جادل بارمنيدس بأن التغيير غير موجود، وجادل ديموقريطس بأن كل شيء يتكون من أجسام صغيرة خاملة ذات أشكال مختلفة تُسمى الذرات، وهي فلسفة تُعرف بالذرية . وقد انطوت كل هذه المفاهيم على مشاكل فلسفية عميقة. ^{[ 80 ]}

كان أرسطو (384 ق.م. - 322 ق.م.) أول من وضع هذا المفهوم على أساس فلسفي متين، وهو ما فعله في فلسفته الطبيعية، وخاصة في كتاب الطبيعة الأول. ^{[ 81 ]} وقد اعتمد العناصر الأربعة التي وضعها إمبيدوكليس كمسلمات معقولة ، لكنه أضاف عنصرًا خامسًا هو الأثير . ومع ذلك، فإن هذه العناصر ليست أساسية في فكر أرسطو. بل هي، مثل كل شيء آخر في العالم المرئي، تتكون من المبدأين الأساسيين : المادة والصورة.

إن تعريفي للمادة هو هذا بالضبط - الركيزة الأساسية لكل شيء، والتي ينشأ منها دون قيد أو شرط، والتي تستمر في النتيجة.

الكلمة التي يستخدمها أرسطو للدلالة على المادة، ὕλη ( hyle أو hule ) ، يمكن ترجمتها حرفيًا إلى خشب أو أخشاب، أي "مادة خام" للبناء. ^{[ 82 ]} في الواقع، يرتبط مفهوم أرسطو للمادة ارتباطًا جوهريًا بصنع شيء ما أو تركيبه. بعبارة أخرى، على عكس المفهوم الحديث المبكر للمادة باعتبارها مجرد شغل حيز، فإن المادة عند أرسطو مرتبطة تعريفيًا بالعملية أو التغيير: فالمادة هي ما يكمن وراء تغيير الجوهر. على سبيل المثال، يأكل الحصان العشب: يحوّل الحصان العشب إلى نفسه؛ لا يبقى العشب في الحصان، ولكن يبقى جانب منه - مادته. لا تُوصف المادة بشكل محدد (مثلًا، على أنها ذرات )، ولكنها تتكون مما يبقى في تغيير الجوهر من عشب إلى حصان. لا توجد المادة في هذا الفهم بشكل مستقل (أي، كجوهر ) ، ولكنها توجد بشكل مترابط (أي، كـ"مبدأ") مع الشكل، وذلك فقط بقدر ما تكمن وراء التغيير. قد يكون من المفيد تصور العلاقة بين المادة والصورة على أنها مشابهة جدًا للعلاقة بين الأجزاء والكل. فبالنسبة لأرسطو، لا يمكن للمادة في حد ذاتها أن تستمد وجودها من الصورة؛ فهي لا تملك نشاطًا أو وجودًا في ذاتها، على غرار الطريقة التي لا توجد بها الأجزاء في حد ذاتها إلا في الكل (وإلا لكانت كليات مستقلة).

وضع الفيلسوف الفرنسي رينيه ديكارت (1596-1650) المفهوم الحديث للمادة. وكان في الأساس عالم هندسة. وعلى عكس أرسطو، الذي استنتج وجود المادة من الواقع الفيزيائي للتغير، افترض ديكارت بشكل تعسفي أن المادة هي جوهر رياضي مجرد يشغل حيزًا:

إذن، يشكل الامتداد في الطول والعرض والعمق طبيعة المادة الجسدية؛ ويشكل الفكر طبيعة المادة المفكرة. وكل ما يُنسب إلى الجسد يفترض الامتداد، وهو مجرد نمط من أنماط الشيء الممتد.

يرى ديكارت أن المادة لا تملك سوى خاصية الامتداد، لذا فإن نشاطها الوحيد، عدا الحركة، هو استبعاد الأجسام الأخرى: ^{[ 84 ]} وهذه هي الفلسفة الميكانيكية . ويُفرّق ديكارت تمييزًا مطلقًا بين العقل، الذي يُعرّفه بأنه جوهر مُفكّر غير مُمتد، والمادة، التي يُعرّفها بأنها جوهر مُمتد غير مُفكّر. ^{[ 85 ]} فهما شيئان مستقلان. في المقابل، يُعرّف أرسطو المادة والمبدأ الصوري/التكويني بأنهما مبدأان مُتكاملان يُشكّلان معًا شيئًا واحدًا مُستقلًا ( جوهرًا ). باختصار، يُعرّف أرسطو المادة (بشكل عام) بأنها ما تُصنع منه الأشياء فعليًا (مع وجود مُستقل مُحتمل )، لكن ديكارت يُعلي من شأن المادة إلى مرتبة شيء مُستقل فعليًا في حد ذاته.

إن أوجه التشابه والاختلاف بين مفهومي ديكارت وأرسطو جديرة بالملاحظة. ففي كلا المفهومين، تُعتبر المادة خاملة أو غير نشطة. كما تختلف علاقة المادة بالعقل في كل مفهوم. فبالنسبة لأرسطو، توجد المادة والعقل (الصورة) معًا في علاقة ترابط، بينما يرى ديكارت أن المادة والعقل (الذهن) جوهران مستقلان ومتضادان من حيث التعريف . ^{[ 86 ]}

يُبرر ديكارت قصر الصفات الذاتية للمادة على الامتداد بثباتها، لكن معياره الحقيقي ليس الثبات (الذي ينطبق أيضاً على اللون والمقاومة)، بل رغبته في استخدام الهندسة لتفسير جميع خصائص المادة. ^{[ 87 ]} ومثل ديكارت، جادل هوبز وبويل ولوك بأن الخصائص الذاتية للأجسام تقتصر على الامتداد، وأن ما يُسمى بالصفات الثانوية، كاللون، ليست سوى نتاج الإدراك البشري. ^{[ 88 ]}

ورث الفيلسوف الإنجليزي إسحاق نيوتن (1643-1727) المفهوم الميكانيكي للمادة من ديكارت. في الجزء الثالث من "قواعد الاستدلال في الفلسفة"، يسرد نيوتن الصفات العامة للمادة وهي: "التمدد، والصلابة، وعدم النفاذية، والحركة، والقصور الذاتي". ^{[ 89 ]} وبالمثل، في كتابه "البصريات" ، يفترض أن الله خلق المادة على أنها "جسيمات صلبة، كثيفة، صلبة، غير قابلة للاختراق، ومتحركة"، والتي كانت "...صلبة للغاية لدرجة أنها لا تتآكل أو تنكسر أبدًا". ^{[ 90 ]} كانت الخصائص "الأساسية" للمادة قابلة للوصف الرياضي، على عكس الصفات "الثانوية" مثل اللون أو المذاق. ومثل ديكارت، رفض نيوتن الطبيعة الجوهرية للصفات الثانوية. ^{[ 91 ]}

طوّر نيوتن مفهوم ديكارت للمادة بإعادة خصائصها الذاتية إلى جانب خاصية التمدد (على الأقل بشكل محدود)، مثل الكتلة. وقد أدى استخدام نيوتن لقوة الجاذبية، التي تعمل "عن بُعد"، إلى دحض ميكانيكا ديكارت، التي كانت التفاعلات فيها تحدث حصريًا عن طريق التلامس. ^{[ 92 ]}

على الرغم من أن جاذبية نيوتن تبدو وكأنها قوة من قوى الأجسام، إلا أن نيوتن نفسه لم يُقرّ بأنها خاصية جوهرية للمادة. وباتباع منطق أكثر اتساقًا، جادل جوزيف بريستلي (1733-1804) بأن الخصائص المادية تتجاوز ميكانيكا التلامس : فالخصائص الكيميائية تتطلب القدرة على التجاذب. ^{[ 92 ]} وجادل بأن للمادة قوى كامنة أخرى إلى جانب ما يُسمى بالصفات الأولية لديكارت وآخرين. ^{[ 93 ]}

منذ زمن بريستلي، شهدت معرفتنا بمكونات العالم المادي (أي الجزيئات والذرات والجسيمات دون الذرية) توسعًا هائلًا. في القرن التاسع عشر، وبعد تطوير الجدول الدوري والنظرية الذرية ، اعتُبرت الذرات المكونات الأساسية للمادة؛ إذ تُشكل الذرات الجزيئات والمركبات . ^{[ 94 ]}

يتناقض التعريف الشائع للمادة، من حيث شغلها حيزًا وامتلاكها كتلة، مع معظم التعريفات الفيزيائية والكيميائية للمادة، التي تعتمد بدلًا من ذلك على بنيتها وخصائصها التي لا ترتبط بالضرورة بالحجم والكتلة. ومع مطلع القرن التاسع عشر، بدأت معرفة المادة تطورًا سريعًا.

لا تزال بعض جوانب النظرة النيوتونية سائدة. ناقش جيمس كلارك ماكسويل المادة في كتابه "المادة والحركة" . ^{[ 95 ]} وقد فصل بدقة "المادة" عن المكان والزمان، وعرّفها من حيث الجسم المشار إليه في قانون نيوتن الأول للحركة .

مع ذلك، لم تكن الصورة النيوتونية هي الصورة الكاملة. ففي القرن التاسع عشر، ناقش العديد من العلماء والفلاسفة مصطلح "المادة" بشكلٍ مكثف، ويمكن الاطلاع على ملخصٍ موجزٍ له في كتاب ليفر. ^{[ 96 ]} ويشير أحد الكتب الدراسية من عام 1870 إلى أن المادة تتكون من الذرات: ^{[ 97 ]}

يُصنّف العلم المادة إلى ثلاثة أقسام: الكتل، والجزيئات، والذرات. الكتلة هي أي جزء من المادة يمكن إدراكه بالحواس. الجزيء هو أصغر جسيم من المادة يمكن تقسيم الجسم إليه دون أن يفقد هويته. الذرة هي جسيم أصغر ينتج عن انقسام الجزيء.

بدلاً من أن تقتصر خصائص المادة على الكتلة وشغل حيز، كان يُعتقد أنها تمتلك خصائص كيميائية وكهربائية. في عام 1909، كتب الفيزيائي الشهير جيه جيه طومسون (1856-1940) عن "تركيب المادة" واهتم بالصلة المحتملة بين المادة والشحنة الكهربائية. ^{[ 98 ]}

في أواخر القرن التاسع عشر مع اكتشاف الإلكترون ، وفي أوائل القرن العشرين مع تجربة جايجر-مارسدن التي كشفت عن نواة الذرة ، وولادة فيزياء الجسيمات ، نُظر إلى المادة على أنها تتكون من إلكترونات وبروتونات ونيوترونات تتفاعل لتكوين الذرات . ثم تطورت أدبيات كاملة حول "بنية المادة"، بدءًا من "البنية الكهربائية" في أوائل القرن العشرين، ^{[ 99 ]} وصولًا إلى "بنية الكواركات في المادة" الأحدث، التي طرحها جاكوب في عام 1992 مع ملاحظة: "يُعد فهم بنية الكواركات في المادة أحد أهم التطورات في الفيزياء المعاصرة." ^{[ 100 ]} وفي هذا السياق، يتحدث الفيزيائيون عن حقول المادة ، ويصفون الجسيمات بأنها "إثارات كمومية لنمط من أنماط حقل المادة". ^{[ 9 ] [ 10 ]} وهنا اقتباس من دي ساباتا وجاسبريني: "بكلمة 'مادة' نشير، في هذا السياق، إلى مصادر التفاعلات، أي حقول السبينور (مثل الكواركات واللبتونات )، والتي يُعتقد أنها المكونات الأساسية للمادة، أو الحقول القياسية ، مثل جسيمات هيغز ، والتي تُستخدم لإدخال الكتلة في نظرية القياس (والتي، مع ذلك، يمكن أن تتكون من حقول فرميون أكثر أساسية )." ^{[ 101 ]}

مع ذلك، فإن البروتونات والنيوترونات ليست غير قابلة للتجزئة، إذ يمكن تقسيمها إلى كواركات . أما الإلكترونات فهي جزء من عائلة جسيمات تُسمى اللبتونات . كل من الكواركات واللبتونات جسيمات أولية ، وقد اعتبرها مؤلفو كتاب جامعي في عام 2004 المكونات الأساسية للمادة. ^{[ 102 ]}

تتفاعل الكواركات واللبتونات عبر أربع قوى أساسية : الجاذبية ، والكهرومغناطيسية ، والتفاعلات الضعيفة ، والتفاعلات القوية . يُعدّ النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات حاليًا أفضل تفسير للفيزياء برمتها، ولكن على الرغم من عقود من الجهود، لا يزال من غير الممكن تفسير الجاذبية على المستوى الكمومي؛ إذ لا يُمكن وصفها إلا من خلال الفيزياء الكلاسيكية (انظر: الجاذبية الكمومية والجرافيتون ) ^{[ 103 ]،} الأمر الذي يُثير إحباط علماء الفيزياء النظرية مثل ستيفن هوكينج . تنتج التفاعلات بين الكواركات واللبتونات عن تبادل جسيمات حاملة للقوة ، مثل الفوتونات، بين الكواركات واللبتونات. ^{[ 104 ]} لا تُمثّل الجسيمات الحاملة للقوة لبنات بناء بحد ذاتها. ونتيجةً لذلك، لا يُمكن دائمًا ربط الكتلة والطاقة (اللتان لا يُمكن خلقهما أو إفناؤهما حسب معرفتنا الحالية) بالمادة (التي يُمكن خلقها من جسيمات غير مادية مثل الفوتونات، أو حتى من طاقة خالصة، مثل الطاقة الحركية). لا تُعتبر وسائط القوى عادةً مادةً: فوسائط القوة الكهربائية (الفوتونات) تمتلك طاقة (انظر علاقة بلانك )، ووسائط القوة الضعيفة ( بوزونات W وZ ) لها كتلة، ولكن لا يُعتبر أيٌّ منهما مادةً أيضًا. ^{[ 105 ]} ومع ذلك، فبينما لا تُعتبر هذه الكميات مادةً، فإنها تُساهم في الكتلة الكلية للذرات والجسيمات دون الذرية وجميع الأنظمة التي تحتوي عليها. ^{[ 106 ] [ 107 ]}