Materie ist eine Substanz, die Trägheit besitzt und den physikalischen Raum einnimmt. Nach der modernen Physik besteht die Materie aus verschiedenen Arten von Teilchen, die jeweils eine Masse und eine Größe haben.
Die bekanntesten Beispiele für materielle Teilchen sind das Elektron, das Proton und das Neutron. Kombinationen aus diesen Teilchen bilden Atome. Es gibt mehr als 100 verschiedene Arten von Atomen, wobei jede Art ein eigenes chemisches Element darstellt. Eine Kombination von Atomen bildet ein Molekül. Atome und/oder Moleküle können sich zu einer Verbindung zusammenschließen.
Materie kann in mehreren Zuständen, auch Phasen genannt, existieren. Die drei häufigsten Zustände sind als fest, flüssig und gasförmig bekannt. Ein einzelnes Element oder eine Materieverbindung kann in mehr als einem der drei Zustände existieren, je nach Temperatur und Druck. Weniger bekannte Zustände der Materie sind Plasma, Schaum und Bose-Einstein-Kondensat. Diese Zustände treten unter besonderen Bedingungen auf.
Unterschiedliche Arten von Materie können sich zu Substanzen verbinden, die keinem der ursprünglichen Bestandteile ähneln. Zum Beispiel verbinden sich Wasserstoff (ein gasförmiges Element) und Sauerstoff (ein anderes gasförmiges Element) zu Wasser (eine flüssige Verbindung bei Raumtemperatur). Der Prozess einer solchen Verbindung wird als chemische Reaktion bezeichnet. Bei einer chemischen Reaktion kommt es zu Wechselwirkungen zwischen den Elektronen der Atome, die Atomkerne bleiben jedoch unberührt.
In manchen Situationen wird Materie durch atomare Reaktionen, auch Kernreaktionen genannt, in Energie umgewandelt. Diese Art der Reaktion unterscheidet sich grundlegend von der chemischen Reaktion, da sie Veränderungen in den Atomkernen beinhaltet. Das häufigste Beispiel für eine Kernreaktion ist die Wasserstofffusion, die im Inneren der Sonne stattfindet. Der immense Druck im Inneren der Sonne und anderer Sterne zwingt Wasserstoffatome zusammen, um Heliumatome zu bilden. Bei diesem Prozess wird ein Teil der Masse in Energie umgewandelt, gemäß der Formel
E = mc 2
wobei E die Energie in Joule, m die Masse in Kilogramm und c die Lichtgeschwindigkeit ist, die im Vakuum etwa 2,99792 x 10 8 Meter pro Sekunde beträgt.
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler die Existenz einer Substanz namens Antimaterie bestätigt. Das Elektron hat einen Antiteilchen-Zwilling, Positron genannt, mit gleicher Masse, aber entgegengesetzter elektrischer Ladung. In ähnlicher Weise hat das Proton einen Antimaterie-Zwilling, genannt Antiproton, und das Neutron hat einen Antimaterie-Zwilling, genannt Antineutron. Wenn ein Materieteilchen auf sein Antiteilchen trifft, werden beide gemäß der obigen Formel vollständig in Energie umgewandelt, wobei m die kombinierte Masse des Teilchens und des Antiteilchens ist. Kleine Mengen von Antimaterie wurden unter Laborbedingungen isoliert, aber es ist noch niemandem gelungen, eine kontrollierte Materie/Antimaterie-Reaktion oder gar eine unkontrollierte Reaktion von signifikanter Größe zu erzeugen.