Hmota

Fyzika tradičně rozlišovala dva projevy hmoty: látka, skládající se z částic s klidovou hmotností, a pole, které by se podle klasické fyziky nemělo skládat z částic, ale projevovat se jako kontinuum ve svých vlastnostech. Dnes, podle standardního modelu, je všeobecně přijímána představa rozdělení forem hmoty podle charakteru elementárních částic hmoty – na látkové částice (často nesprávně nazývané také "částice hmoty"), tedy kvarky a leptony (všechny mají polocelý spin, proto patří do fermionů, a ke každé existuje odpovídající antičástice) a na polní částice (intermediální, tedy zprostředkující interakci) a mající celočíselný spin, tedy patřící do bosonů. Pojem látka označuje veškerou hmotu, z níž se skládají předměty kolem nás. Tradičně se rozlišují tři její základní skupenství: pevné, kapalné a plynné; později začalo být jako 4. skupenství označované plazma a moderní fyzika přidala další odlišné formy, často také označované jako skupenství (Boseho-Einsteinův kondenzát apod.).

V moderní fyzice jsou látka a pole, přinejmenším v mikrosvětě, dva navzájem spjaté „projevy“ či „strukturní formy“ hmoty, protože se ukázalo, že:

• Elementární částice látek vystupují jako kvanta (nejmenší nedělitelné množství), resp. "zhuštěniny" polí, ztrácejí tedy čistě korpuskulární povahu.
• Fyzikální pole ztrácejí plnou kontinuitu a mohou se strukturovat do kvant (fotony, gravitony), neboli polních částic.
• Pojem částice (včetně elementárních částic) se – přinejmenším v mikrosvětě – používá pro úplně veškeré mikrofyzikální hmotné objekty, nezávisle na tom, či při vzájemném působení mají strukturu/podobu klasických částic (látkové částice) nebo pole.

Skutečnost, že na každý hmotný objekt (částici i pole) je možné se dívat buď jako na částici, nebo jako na vlnu, nazýváme korpuskulárně-vlnový dualizmus (či "dualizmus vlna-částice").

Fyzikální experimenty a astrofyzikální pozorování poskytují indicie, že mimo standardní model existují ještě další formy existence hmoty. Klasická hmota (tzv. svítící hmota či látka, tj. hvězdy, planety atp.) představuje podle výsledků pozorování pouze asi 4 % celkové energie vesmíru. Intenzivně se hledají částice tzv. temné hmoty, která by měla představovat asi 23 % energie vesmíru a měla by mít schopnost gravitačního shlukování (mohla by vysvětlit problémy v dynamice galaxií). Předpokládá se, že má formu látky, pro kterou standardní model nemá vhodné částice. Zbytek, asi 73 %, připadá na zcela neznámou formu hmoty, temnou energii (ta je pravděpodobně zodpovědná za zrychlující se expanzi našeho vesmíru). Většina teorií předpokládá polní charakter temné energie, může se však jednat o obecnější, inherentní vlastnost fyzikálního prostoru. Jsou rozpracovány i alternativní teorie, nahrazující objektivní existenci temné hmoty a temné energie modifikací fyzikálních zákonů gravitace.

Následuje zjednodušený model složení známých forem hmoty (odsunutý řádek znamená, že předcházející se skládá z následujících; ne všechny meziúrovně se pro danou formu látky nutně musejí realizovat): hmota:

• látka:
  • molekuly:
    • atomy:
      • a) hadrony (např. protony, neutrony, mezony) a jejich antičástice:
        • kvarky a antikvarky
      • b) leptony (např. elektrony, miony, neutrina) a jejich antičástice (např. pozitron)
• pole:
  • fotony
  • gluony
  • intermediální bosony W⁺, W⁻ a Z⁰
  • Higgsův boson
  • gravitony (hypotetické – zatím nejsou experimentálně ověřeny)

Pojem hmota není, na rozdíl od pojmu hmotnost, přesně definován. V angličtině odpovídá pojmu matter, který se pro pole (field) většinou nepoužívá.

Od nejkondenzovanějšího k nejrozvolněnějšímu existují následující skupenství odvozená od elektricky neutrální atomární látky:

• Boseho–Einsteinův kondenzát (BEC)
• pevné
• kapalné
• plynné
• plazma[pozn. 1]
• kvark-gluonové plazma[1] (řidčeji též "kvarková polévka" nebo zkráceně "kvagma")[pozn. 2].

Některé publikace označují jako zvláštní skupenství i takové kondenzované stavy látky, v nichž se projevují kvantové kolektivní vlastnosti částic (fermiony látky se sdružují do tzv. Cooperových párů – bosonů) odlišnými makroskopickými charakteristikami (od nejkondenzovanějšího k nejrozvolněnějšímu):

• fermionový kondenzát[2][3] (BEC tvořený Cooperovými páry fermionů)
• suprapevné[4][5][6][7] (specifický stav jak s vlastnostmi pevného krystalu tak supratekuté látky, dřívější experimentální průkazy[8][9] byly zpochybňovány[10])
• supratekuté (specifický stav kapalného)

Jsou teoreticky předpovězena a astrofyzikálním pozorováním podpořena i další kondenzovaná skupenství látky, která umožňuje stlačení silnou gravitací velmi hmotných vesmírných objektů:

• degenerovaný kvarkový plyn (látka tvořící jádra neutronových hvězd[11][12] a hypotetické kvarkové hvězdy; degenerovaná hmota, obdobná obřímu exotickému baryonu v nejnižším možném energetickém stavu, tvořenému mnoha kvarky)
• degenerovaná podivná hmota (hypotetická látka, která může být obsažena v neutronových hvězdách; degenerovaná hmota, obdobná obřímu neutrálnímu hyperjádru v nejnižším možném energetickém stavu)
• degenerovaný neutronový plyn (látka tvořící neutronové hvězdy; neutrální degenerovaná hmota, obdobná obřímu atomovému jádru v nejnižším možném energetickém stavu, tvořenému mnoha neutrony)
• těsné uspořádání atomových jader s degenerovaným elektronovým plynem (látka tvořící bílé trpaslíky, obdobná těsnému kovovému krystalu v nejnižším možném energetickém stavu)

Přechody hmoty z jednoho skupenství na druhé (fázová přeměna) se zabývá termodynamika.