案件

古典物理学と一般化学では、物質とは質量を持ち、体積によって空間を占めるあらゆる物質のことである。^[1]日常的に触れることができるあらゆる物体は、究極的には相互作用する亜原子粒子から構成される原子で構成されており、日常的にも科学的にも、物質には一般に原子とそれらで構成されるもの、および静止質量と体積の両方を持っているかのように振舞うあらゆる粒子（または粒子の組み合わせ）が含まれる。ただし、光子などの質量のない粒子や、光や熱などの他のエネルギー現象や波は含まれない。^{[1] : 21  [2]}物質はさまざまな状態（相とも呼ばれる）で存在する。これらには固体、液体、気体などの古典的な日常の相が含まれる（たとえば、水は氷、液体の水、気体蒸気として存在する）が、プラズマ、ボーズ・アインシュタイン凝縮体、フェルミオン凝縮体、クォーク・グルーオン・プラズマなどの他の状態も可能である。^[3]

通常、原子は陽子と中性子の核と、その周囲を「空間を占める」軌道を回る電子の「雲」として想像される。 ^{[4] [5]}しかし、これはある程度正しいだけである。なぜなら、原子核およびその特性はその量子的性質によって支配されており、つまり、それらは日常の物体が振舞うように見えるような振舞いはしないからである。それらは波のようにも粒子のようにも振舞うことができ、明確に定義された大きさや位置を持たない。素粒子物理学の標準モデルでは、物質は基本的な概念ではない。なぜなら、原子の基本構成要素は量子的な実体であり、日常的な意味での固有の「大きさ」や「体積」を持たないからである。排他原理やその他の基本的な相互作用により、フェルミオン（クォーク、レプトン）として知られるいくつかの「点粒子」や、多くの複合体や原子は、日常的な条件下では他の粒子から実質的に距離を保つことを強いられる。これにより、物質が空間を占めているように見える物質の特性が生み出される。

自然科学の歴史の大部分において、人々は物質の正確な性質について熟考してきた。物質が個別の構成要素で構成されているという考え、いわゆる物質の粒子説は、古代ギリシャと古代インドの両方で登場した。^[6]物質の粒子説を提唱した初期の哲学者には、古代インドの哲学者カナダ（紀元前6世紀頃またはそれ以降）、^[7] ソクラテス以前のギリシャの哲学者レウキッポス（紀元前490年頃）、ソクラテス以前のギリシャの哲学者デモクリトス（紀元前470年～380年頃）がいる。^[8]

物質と質量を混同してはいけません。現代物理学ではこの2つは同じではないからです。[ ^9]物質は、あらゆる「物理的実体」を表す一般的な用語です。対照的に、質量は実体ではなく、物質や他の実体またはシステムの量的な特性です。物理学では、静止質量、慣性質量、相対論的質量、質量エネルギーなど、さまざまな種類の質量が定義されています。

何を物質とみなすべきかについてはさまざまな見解がありますが、物質の質量には正確な科学的定義があります。もう 1 つの違いは、物質には反物質と呼ばれる「反対のもの」があるのに対し、質量には反対のものがないことです。科学者たちはその概念について議論していますが、知られている限りでは「反質量」または負の質量というものは存在しません。反物質は、通常の物質と同じ (つまり正の) 質量特性を持ちます。

科学の分野によって、物質という用語の使い方は異なり、時には矛盾することもあります。これらの使い方の中には、質量を単なる物質の量と区別する必要がなかった時代の曖昧な歴史的意味に基づくものもあります。そのため、「物質」という言葉には普遍的に同意された科学的意味は一つもありません。科学的には、「質量」という用語は明確に定義されていますが、「物質」はいくつかの方法で定義できます。物理学の分野では、「物質」はクォークやレプトンなどの静止質量（つまり、光速で移動できない）を示す粒子と単純に同一視されることがあります。しかし、物理学と化学の両方において、物質は波のような性質と粒子のような性質の両方を示し、いわゆる波動粒子二重性を示します。^{[10] [11] [12]}

「物質」の物理的・化学的構造に基づく定義は、物質は原子で構成されているというものである。^[17]このような原子物質は、通常の物質と呼ばれることもある。例えば、デオキシリボ核酸 分子（DNA）は原子で構成されていることから、この定義では物質である。この定義は、原子の定義には明らかに含まれていないプラズマ（イオンのガス）や電解質（イオン溶液）を含むように、荷電原子や分子を含むように拡張することができる。あるいは、陽子、中性子、電子の定義を採用することもできる。

原子や分子の定義よりも細かいスケールの「物質」の定義は、次の通りです。物質は原子や分子が作られているものから成り、つまり正に帯電した陽子、中性中性子、負に帯電した電子から作られているものを意味します。^{[18]ただし、この定義は原子や分子を超え、単純な原子や分子では}ないこれらの構成要素から作られた物質、たとえば古いブラウン管テレビの電子ビームや、白色矮星物質（典型的には縮退した電子の海にある炭素と酸素の原子核）が含まれます。微視的なレベルでは、陽子、中性子、電子などの物質の構成要素「粒子」は量子力学の法則に従い、波動粒子二重性を示します。さらに深いレベルでは、陽子と中性子はクォークとそれらを結合する力場（グルーオン）から成り、次の定義につながります。

上記の議論でわかるように、「通常の物質」と呼ばれるものの初期の定義の多くは、その構造または「構成要素」に基づいていました。素粒子のスケールでは、この伝統に従った定義は、「通常の物質とは、クォークとレプトンで構成されるすべてのものである」、または「通常の物質とは、反クォークと反レプトンを除くすべての基本フェルミオンで構成されるすべてのものである」と述べることができます。^{[19] [20] [21]}これらの定式化の関係は次のとおりです。

レプトン（最も有名なのは電子）とクォーク（陽子や中性子などの重粒子はこれらからできている）が結合して原子を形成し、原子は分子を形成します。原子と分子は物質であると言われているので、定義を「通常の物質とは、原子や分子と同じものからできているものすべてである」と表現するのが自然です。（ただし、これらの構成要素から原子や分子ではない物質を作ることもできることに注意してください。）次に、電子はレプトンであり、陽子と中性子はクォークからできているため、この定義は、物質を「クォークとレプトン」と定義することにつながります。これらは、4種類の基本的なフェルミオンのうちの2つです（他の2つは反クォークと反レプトンで、後述するように反物質と見なすことができます）。カリザースとグラニスは、「通常の物質は、第一世代の粒子、すなわち[アップ]クォークと[ダウン]クォーク、それに電子とニュートリノのみで構成されている」と述べている。^[20]（高世代の粒子はすぐに第一世代の粒子に崩壊するため、一般的には遭遇しない。^[22]）

この通常の物質の定義は、一見したほど複雑ではありません。通常の物質を構成するすべての粒子（レプトンとクォーク）は基本的なフェルミオンであり、すべての力の運搬体は基本的なボソンです。^[23]弱い力を媒介するWボソンとZボソンはクォークやレプトンで構成されていないため、質量があっても通常の物質ではありません。^[24]言い換えれば、質量は通常の物質に固有のものではありません。

しかし、通常の物質のクォーク・レプトン定義は、物質の基本的な構成要素だけでなく、構成要素（例えば、原子や分子）から作られた複合体も含んでいる。このような複合体は、構成要素をまとめる相互作用エネルギーを含み、複合体の質量の大部分を構成する可能性がある。例えば、原子の質量は、その構成要素である陽子、中性子、電子の質量の合計にほぼ等しい。しかし、さらに深く掘り下げると、陽子と中性子は、グルーオン場によって結合されたクォークで構成されており（量子色力学のダイナミクスを参照）、これらのグルーオン場はハドロンの質量に大きく寄与している。^[25]言い換えれば、通常の物質の「質量」を構成するもののほとんどは、陽子と中性子内のクォークの結合エネルギーによるものである。^{[26]たとえば、}核子内の3つのクォークの質量の合計は、およそ12.5  MeV/ c ^{2 で}あり、これは核子の質量（およそ938  MeV/ c ²）。^{[27] [28]}要するに、日常の物体の質量のほとんどは、その基本構成要素の相互作用エネルギーから生じているのです。

標準モデルでは、物質粒子を3世代に分類し、各世代は2つのクォークと2つのレプトンから構成される。第1世代はアップクォークとダウンクォーク、電子、電子ニュートリノ、第2世代はチャームクォークとストレンジクォーク、ミューオンとミューニュートリノ、第3世代はトップクォークとボトムクォーク、タウとタウニュートリノから構成される。^{[29]これに対する最も自然な説明は、高世代のクォークとレプトンは第1世代の}励起状態であるというものである。これが事実であることが判明した場合、クォークとレプトンは素粒子ではなく複合粒子であることを意味する。^[30]

このクォーク-レプトンによる物質の定義は、後述する「（正味の）物質の保存」の法則とも言えるものにもつながります。あるいは、物質の質量-体積-空間の概念に戻ると、反物質が物質のサブクラスとして含まれる次の定義につながります。

物質の一般的な、あるいは伝統的な定義は「質量と体積を持つもの（空間を占めるもの）」である。^{[31] [32]}例えば、車は質量と体積を持つ（空間を占める）ので、物質でできていると言える。

物質が空間を占有するという観察は古代に遡ります。しかし、物質が空間を占有する理由についての説明は最近のものであり、フェルミオンに適用されるパウリの排他原理[33] [34]で説明されている現象の結果であると主張されています。排他原理が^物質と空間の占有を明確に関連付けている2つの具体的な例として、以下でさらに説明する白色矮星と中性子星があります。

したがって、物質は、基本的なフェルミオンで構成されるすべてのものとして定義できます。日常生活で遭遇することはありませんが、反クォーク（反陽子など）と反レプトン（陽電子など）は、クォークとレプトンの反粒子であり、基本的なフェルミオンでもあり、2つの粒子が同じ場所に同時に（同じ状態で）存在することを防ぐ、つまり各粒子が「空間を占める」というパウリの排他原理の適用を含め、クォークやレプトンと本質的に同じ特性を持っています。この特定の定義により、物質は、通常のクォークとレプトンだけでなく、これらの反物質粒子で構成されるものすべて、したがってクォークと反クォークで構成される不安定な粒子である 中間子で構成されるものすべてを含むと定義されます。

相対性理論の文脈では、質量は加算可能な量ではない。つまり、あるシステム内の粒子の静止質量を加算してそのシステムの総静止質量を得ることはできない。^{[1] : 21}相対性理論では、通常、より一般的な見方として、静止質量の合計ではなく、物質の量を定量化するのはエネルギー運動量テンソルであると考えられている。このテンソルはシステム全体の静止質量を与える。したがって、物質は、システムのエネルギー運動量に寄与するもの、つまり純粋に重力以外のものとして考えられることがある。^{[35] [36]この見方は、}宇宙論などの一般相対性理論を扱う分野で一般的に支持されている。この見方では、光やその他の質量のない粒子や場はすべて物質の一部である。

素粒子物理学では、フェルミ粒子はフェルミ・ディラック統計に従う粒子です。フェルミ粒子は電子のように基本的な粒子である場合もあれば、陽子や中性子のように複合粒子である場合もあります。標準モデルでは、クォークとレプトンという 2 種類の基本的なフェルミ粒子があり、これらについては次に説明します。

クォークはスピン1 ⁄ 2の質量を持つ粒子で、フェルミオンであることを意味します。クォークの電荷は - 1 ⁄ 3 e (ダウン型クォーク) または + 2 ⁄ 3  e (アップ型クォーク) です。比較すると、電子の電荷は -1 e です。クォークは色電荷も持ちます。これは強い相互作用の電荷に相当します。クォークは放射性崩壊も起こすため、弱い相互作用の影響を受けます。  

重粒子は、強く相互作用するフェルミ粒子であるため、フェルミ・ディラック統計の対象となります。重粒子には、原子核に存在する陽子と中性子が含まれますが、他にも不安定な重粒子が多数存在します。重粒子という用語は通常、3 つのクォークからなる粒子であるトリクォークを指します。また、4 つのクォークと 1 つの反クォークからなる「エキゾチック」な重粒子はペンタクォークとして知られていますが、その存在は一般には認められていません。

バリオン物質は、宇宙のうちバリオン（すべての原子を含む）でできている部分である。この宇宙の部分には、暗黒エネルギー、暗黒物質、ブラックホール、白色矮星や中性子星を構成するような様々な形の縮退物質は含まれない。ウィルキンソンマイクロ波異方性探査機（WMAP）が観測したマイクロ波光は、最も高性能な望遠鏡の届く範囲にある宇宙の部分（つまり、そこから光が届くため目に見える可能性がある物質）のうち、バリオン物質でできているのはわずか4.6％程度であることを示唆している。約26.8％が暗黒物質で、約68.3％が暗黒エネルギーである。^[38]

宇宙の通常の物質の大部分は目に見えない。なぜなら、銀河や銀河団内の目に見える星やガスは、宇宙の質量エネルギー密度に対する通常の物質の寄与の10％未満を占めるからである。^[39]

ハドロン物質は、ハドロン（重粒子と中間子）から構成される「通常の」重粒子物質、またはクォーク物質（原子核の一般化）、つまり「低温」QCD物質を指すことがある。^{[40]これには}縮退物質や高エネルギー重原子核の衝突の結果が含まれる。 ^[41]

物理学では、縮退物質とは、絶対零度に近い温度におけるフェルミオンのガスの基底状態を指す。^[42]パウリの排他原理によれば、量子状態を占めることができるのは2つのフェルミオンのみであり、1つはスピンアップ、もう1つはスピンダウンである。したがって、温度ゼロでは、フェルミオンは利用可能なすべてのフェルミオンを収容するのに十分なレベルを埋め尽くし、フェルミオンの数が多い場合は、最大運動エネルギー（フェルミエネルギーと呼ばれる）とガスの圧力が非常に大きくなり、通常の物質の状態とは異なり、温度ではなくフェルミオンの数に依存する。

縮退物質は重い恒星の進化の過程で発生すると考えられている。^[43]スブラマニアン・チャンドラセカールが、排他原理により白色矮星には最大許容質量があることを実証したことは、恒星進化理論に革命をもたらした。^[44]

縮退物質には、中性子星と白色矮星で構成される宇宙の部分が含まれます。

ストレンジ物質はクォーク物質の特殊な形態であり、通常はアップクォーク、ダウンクォーク、ストレンジクォークの液体であると考えられている。これは、中性子と陽子（それ自体がアップクォークとダウンクォークから構成される）の液体である原子核物質や、アップクォークとダウンクォークのみを含むクォーク液体である非ストレンジクォーク物質と対比される。十分に高い密度では、ストレンジ物質はカラー超伝導になると予想される。ストレンジ物質は中性子星の中心部で発生すると仮定されているが、より推測的には、フェムトメートル（ストレンジレット）からキロメートル（クォーク星）までの大きさの異なる孤立した液滴として発生する可能性がある。

素粒子物理学と天体物理学では、この用語は、より広い意味で、そしてより限定的な意味で、2つの意味で使用されます。

1. より広い意味は、アップ、ダウン、ストレンジの 3 種類のクォークを含むクォーク物質です。この定義では、臨界圧力とそれに伴う臨界密度があり、核物質 (陽子と中性子で構成) がこの密度を超えて圧縮されると、陽子と中性子がクォークに解離し、クォーク物質 (おそらくストレンジ物質) が生成されます。
2. より狭い意味では、クォーク物質は原子核物質よりも安定している。これが起こり得るという考えは、ボドマー^[45]とウィッテン^[46]の「ストレンジ物質仮説」である。この定義では、臨界圧力はゼロであり、物質の真の基底状態は常にクォーク物質である。私たちの周りの物質で見られる原子核は原子核物質の液滴であり、実際には準安定であり、十分な時間（または適切な外部刺激）が与えられると、ストレンジ物質の液滴、つまりストレンジレットに崩壊する。

レプトンはスピン1 ⁄ 2の粒子であり、フェルミオンです。電荷は-1  e (荷電レプトン) または 0 e (ニュートリノ) です。クォークとは異なり、レプトンは色電荷を持たないため、強い相互作用は受けません。また、レプトンは放射性崩壊を起こすため、弱い相互作用の影響を受けます。レプトンは質量のある粒子であるため、重力の影響を受けます。

物質は、周囲の圧力、温度、体積に応じて、^[49]相と呼ばれるいくつかの異なる形態、または凝集状態で存在することができます。^{[50]相とは、比較的均一な化学組成と物理的特性（}密度、比熱、屈折率など）を持つ物質の一形態です。これらの相には、よく知られている 3 つの相（固体、液体、気体）に加えて、よりエキゾチックな物質の状態（プラズマ、超流体、超固体、ボーズ・アインシュタイン凝縮体など）が含まれます。流体は、液体、気体、またはプラズマです。磁性体には、常磁性相と強磁性相もあります。条件が変化すると、物質はある相から別の相に変化することがあります。これらの現象は相転移と呼ばれ、熱力学の分野で研究されています。ナノマテリアルでは、表面積と体積の比率が大幅に増加しているため、バルク材料とはまったく異なる特性を示す物質が生成され、バルク相ではうまく説明できなくなります (詳細については、 ナノマテリアルを参照してください)。

相は物質の状態と呼ばれることもありますが、この用語は熱力学的状態と混同される可能性があります。たとえば、異なる圧力に維持された 2 つの気体は、異なる熱力学的状態(異なる圧力) にありますが、相は同じです(両方とも気体です)。

反物質は、通常の物質を構成する反粒子から構成される物質です。粒子とその反粒子が接触すると、両者は消滅します。つまり、アルバート・アインシュタインの方程式E = mc ²に従って、両者はエネルギーが等しい他の粒子に変換されます。これらの新しい粒子は、高エネルギー光子(ガンマ線) または他の粒子と反粒子のペアです。結果として生じる粒子には、消滅生成物の静止質量と元の粒子と反粒子のペアの静止質量の差に等しい量の運動エネルギーが与えられます。この差は、多くの場合、かなり大きくなります。「物質」のどの定義を採用するかによって、反物質は物質の特定のサブクラス、または物質の反対であると言えます。

反物質は、ごく短期間、極めて微量（放射性崩壊、雷、宇宙線による）でのみ、地球上で自然に見つかります。これは、適切な物理学実験室の外で地球上に出現した反物質は、地球を構成する通常の物質とほぼ瞬時に遭遇し、消滅してしまうためです。反粒子や一部の安定した反物質（反水素など）は微量に生成できますが、その理論的な特性のいくつかをテストする以上のことは行えません。

科学とSFの両方において、観測可能な宇宙が明らかにほぼ完全に物質（クォークとレプトンという意味で、反クォークや反レプトンではない）である理由、および他の場所は代わりにほぼ完全に反物質（反クォークと反レプトン）であるかどうかについて、かなりの推測がなされている。初期の宇宙では、物質と反物質が同数存在し、反物質の消失にはCP（電荷-パリティ）対称性の破れと呼ばれる物理法則の非対称性が必要であり、これは標準モデルから得られる^[51]が、現時点では、目に見える宇宙における物質と反物質の見かけ上の非対称性は、物理学における大きな未解決問題の一つである。これがどのようにして生じたのかについては、バリオン生成の項でより詳細に検討されている。

正式には、反物質粒子は負の重粒子数またはレプトン数で定義され、「通常の」（反物質ではない）物質粒子は正の重粒子数またはレプトン数を持ちます。^[52]これらの2つのクラスの粒子は、お互いの反粒子パートナーです。

2017年10月、科学者たちは、ビッグバンで等しく生成された物質と反物質は同一であり、完全に消滅し、その結果、宇宙は存在しないはずであるというさらなる証拠を報告しました。^[53]これは、科学者にはまだ知られていないが、宇宙形成の初期段階で物質と反物質の完全な相互破壊を止めた、または2つの形態の間に不均衡を引き起こした何かが存在するはずだということを示唆しています。

クォーク-レプトンの意味で物質の量（および反クォーク-反レプトンの意味で反物質の量）を定義できる 2 つの量、重粒子数とレプトン数は、標準モデルで保存されます。陽子や中性子などの重粒子の重粒子数は 1 で、重粒子には 3 つあるクォークの重粒子数は 1/3 です。したがって、重粒子数に比例するクォーク数（重粒子数が -1/3 である反クォークの数を差し引いた数）と、レプトン数と呼ばれるレプトン数（反レプトンを差し引いた数）で測られる物質の正味の量は、どのようなプロセスでも実質的に変更できません。核爆弾でも、重粒子（原子核を構成する陽子と中性子）は破壊されません。反応後も反応前も重粒子の数は変わらないため、これらの物質粒子は実際には破壊されず、非物質粒子（光子や放射線など）に変換されることもありません。代わりに、核（およびおそらく色力学）結合エネルギーが解放され、これらの重粒子は、元の小さな核（水素）と大きな核（プルトニウムなど）と比較して、核子あたりのエネルギー（および、等価的に、質量）が低い中型核に結合されます。電子-陽電子消滅でも、正味の物質は破壊されません。なぜなら、消滅前には正味の物質がゼロ（レプトン数と重粒子数の合計がゼロ）だったためです。レプトン 1 個から反レプトン 1 個を引くと、正味のレプトン数がゼロになります。この正味の物質量は変化せず、消滅後も単にゼロのままです。^[54]

簡単に言うと、物理学で定義される物質とは、重粒子とレプトンを指します。物質の量は、重粒子とレプトンの数で定義されます。重粒子とレプトンは生成されますが、その生成には反重粒子または反レプトンが伴い、反重粒子または反レプトンと対消滅することで破壊されます。反重粒子/反レプトンは負の重粒子/レプトン数を持つため、全体の重粒子/レプトン数は変化せず、物質は保存されます。ただし、重粒子/レプトンと反重粒子/反レプトンはすべて正の質量を持つため、質量の総量は保存されません。さらに、自然または人工の核反応以外では、宇宙に一般的に利用可能な反物質はほとんど存在しないため (重粒子の非対称性とレプトン生成を参照)、通常の状況では粒子の対消滅はまれです。

クォークとレプトンの定義によれば、通常の物質は観測可能な宇宙のエネルギーの約4%を占める。残りのエネルギーは異種物質によるものと理論づけられており、そのうち23%は暗黒物質^{[56] [57]}、73%は暗黒エネルギー^{[58] [59]}である。

天体物理学と宇宙論において、暗黒物質は、直接観測できるほどの電磁波を放射も反射もしない未知の組成の物質であるが、可視物質に対する重力の影響からその存在を推測できる。^{[63] [64]}初期宇宙の観測的証拠とビッグバン理論は、この物質がエネルギーと質量を持っているが、通常の重粒子（陽子と中性子）で構成されていないことを要求する。一般に受け入れられている見解は、暗黒物質の大部分が非重粒子であるというものである。^[63]したがって、それはまだ実験室で観測されていない粒子で構成されている。おそらくそれらは超対称粒子であり、^[65]標準モデルの粒子ではなく、宇宙の初期段階で非常に高いエネルギーで形成され、今も漂っている遺物である。^[63]

宇宙論において、ダークエネルギーとは宇宙の膨張速度を加速させている反発力の源に付けられた名前である。その正確な性質は現在謎であるが、その影響は真空自体にエネルギー密度や圧力などの物質のような特性を割り当てることで合理的にモデル化することができる。^{[66] [67]}

宇宙の物質密度の 70% は、暗黒エネルギーの形をしているようです。26% は暗黒物質です。通常の物質はわずか 4% です。つまり、実験的に観測された物質、または素粒子物理学の標準モデルで説明された物質は、20 分の 1 未満です。残りの 96% については、先ほど述べた特性を除いて、まったく何もわかっていません。

— リー・スモーリン（2007年）『物理学の悩み』p.16

エキゾチック物質は粒子物理学の概念であり、暗黒物質や暗黒エネルギーが含まれる場合もありますが、さらに、既知の物質の形態の 1 つ以上の特性に違反する仮想的な物質も含まれます。そのような物質の中には、負の質量などの仮想的な特性を持つものもあります。

古代インドでは、仏教、ヒンズー教、ジャイナ教の哲学的伝統はそれぞれ、物質は「永遠で、破壊されず、部分がなく、無数」の原子（パラマヌ、プドガラ）でできており、自然の法則に従って結合または分離してより複雑な物質を形成すると仮定しました。^[6]彼らは、魂、またはその欠如に関する考えを物質理論に組み込みました。この理論の最も強力な開発者および擁護者はニヤーヤ-ヴァイシェーシカ学派であり、インドの哲学者カナダの考えが最も強く支持されました。^{[6] [7]}仏教の哲学者も西暦1千年紀後半にこれらの考えを展開しましたが、それはヴァイシェーシカ学派に似ていましたが、魂や良心は含まれていませんでした。^[6]ジャイナ教の哲学者は魂（ジーヴァ）を含め、味、匂い、触感、色などの性質を各原子に追加しました。^[68]彼らは、ヒンズー教徒や仏教徒の初期の文献に見られる考えを拡張し、原子は湿っているか乾燥しているかのどちらかであり、この性質が物質を固めると付け加えた。彼らはまた、原子は反対の引力によって結合し、魂はこれらの原子に執着し、カルマの残留物とともに変化し、生まれ変わるたびに輪廻するという可能性を提唱した。^[6]

古代ギリシャでは、ソクラテス以前の哲学者たちが目に見える世界の根底にある性質について思索した。タレス（紀元前624年頃-紀元前546年頃）は、水を世界の基本物質とみなした。アナクシマンドロス（紀元前610年頃-紀元前546年頃）は、基本物質は完全に無特徴または無限、つまり無限（アペイロン）であると仮定した。アナクシメネス（紀元前585年活躍、紀元前528年没）は、基本物質はプネウマまたは空気であると仮定した。ヘラクレイトス（紀元前535年頃-紀元前475年頃）は、基本元素は火であると言っているようだが、すべては変化であると言っているのかもしれない。エンペドクレス（紀元前490年頃-紀元前430年）は、すべてのものが土、水、空気、火の4つの元素からできていると述べた。^[69]一方、パルメニデスは変化は存在しないと主張し、デモクリトスはすべてのものは原子と呼ばれるあらゆる形の微小で不活性な物体で構成されていると主張した。これは原子論と呼ばれる哲学である。これらの概念はすべて深い哲学的問題を抱えていた。^[70]

アリストテレス（紀元前384-322年）は、自然哲学、特に『物理学』第1巻において、この概念を健全な哲学的基礎の上に置いた最初の人物である。 ^[71]彼は、エンペドクレスの4元素を合理的な仮定として採用したが、5番目としてエーテルを加えた。しかし、これらの元素はアリストテレスの考えでは基本的なものではない。むしろ、目に見える世界の他のすべてのものと同様に、それらは物質と形の 基本原理から構成されている。

私にとっての物質の定義は、まさにこれです。物質とは、あらゆる物事の根本的基盤であり、そこから無条件に生まれ、結果においても存続するものです。

— アリストテレス、物理学 I:9:192a32

アリストテレスが物質を表すために使う言葉ὕλη ( hyleまたはhule )は、文字通り木材または材木、つまり建築用の「原材料」と翻訳できる。^[72]実際、アリストテレスの物質の概念は、何かが作られ、構成されることと本質的に結びついている。言い換えれば、物質は単に空間を占めるだけであるという近世初期の概念とは対照的に、アリストテレスにとって物質は定義上、過程または変化と結びついている。物質は、物質の変化の根底にあるものである。たとえば、馬が草を食べると、馬は草を馬自身に変えてしまう。草自体は馬の中にとどまらないが、その一部、つまり物質は馬の中にとどまる。物質は具体的には説明されないが (たとえば、原子として)、草から馬への物質の変化において持続するものから構成される。この理解における物質は、独立して (つまり、実体として) 存在するのではなく、形態と相互依存して (つまり、「原理」として) 存在し、変化の根底にある限りにおいてのみ存在する。物質と形態の関係を、部分と全体の関係と非常によく似たものとして捉えると役に立つでしょう。アリストテレスにとって、物質そのものは形態からのみ実在性を受け取ることができ、それ自体には活動や実在性はありません。これは、部分そのものが全体の中にのみ存在するのと同様です(そうでなければ、独立した全体になります)。

フランスの哲学者ルネ・デカルト（1596-1650）は、物質に関する現代的な概念を生み出しました。彼は主に幾何学者でした。変化という物理的現実から物質の存在を推論したアリストテレスとは異なり、デカルトは物質を空間を占める抽象的で数学的な実体であると恣意的に仮定しました。

したがって、長さ、幅、深さの拡張は、物体の実体の性質を構成し、思考は思考する実体の性質を構成します。そして、物体に起因するその他のすべてのものは拡張を前提とし、拡張されたものの単なる一形態にすぎません。

— ルネ・デカルト『哲学原理』^[73]

デカルトにとって、物質は拡張という性質しか持たないため、運動以外の唯一の活動は他の物体を排除することである：^[74]これは機械論の哲学である。デカルトは、拡張されていない思考する実体として定義する心と、思考しない拡張された実体として定義する物質とを完全に区別している。^[75]これらは独立した事物である。対照的に、アリストテレスは、物質と形式的/形成原理を、一緒になって一つの独立した事物（実体）を構成する補完的な原理と定義している。つまり、アリストテレスは物質を（大まかに言えば）物事が実際に作られているもの（潜在的な独立した存在）と定義しているが、デカルトは物質をそれ自体で実際に独立した事物にまで高めている。

デカルトとアリストテレスの概念の連続性と相違性は注目に値する。両者の概念において、物質は受動的または不活性である。それぞれの概念において、物質は知性と異なる関係を持っている。アリストテレスにとって、物質と知性（形）は相互依存関係で共存しているが、デカルトにとって、物質と知性（心）は定義上対立する独立した実体である。^[76]

デカルトが物質の固有の性質を拡張性に限定した根拠は物質の永続性であるが、彼の本当の基準は永続性（色や抵抗にも同様に当てはまる）ではなく、幾何学を使ってすべての物質的性質を説明したいという願望であった。^[77]デカルトと同様に、ホッブズ、ボイル、ロックも物体の固有の性質は拡張性に限定されており、色などのいわゆる二次的性質は人間の知覚の産物に過ぎないと主張した。^[78]

イギリスの哲学者アイザック・ニュートン（1643-1727）は、デカルトの物質の機械的概念を継承した。ニュートンは『哲学推論規則』の第3章で、物質の普遍的な性質を「拡張性、硬さ、不浸透性、可動性、慣性」としている。^[79]同様に、光学では、神が物質を「固体、塊状、硬質、不浸透性、可動性の粒子」として創造したと推測している。その粒子は「非常に硬く、決して摩耗したり、粉々に砕けたりしない」ものであった。^[80]物質の「一次」特性は、色や味などの「二次」特性とは異なり、数学的記述が容易であった。デカルトと同様に、ニュートンは二次特性の本質を否定した。^[81]

ニュートンは、物質に拡張性（少なくとも限定的）に加えて質量などの固有の性質を復元することで、デカルトの物質の概念を発展させた。ニュートンは「遠隔」で作用する重力を使用し、相互作用は接触によってのみ起こるとするデカルトの力学を事実上否定した。^[82]

ニュートンの重力は物体の力のように見えるが、ニュートン自身はそれを物質の本質的な性質であるとは認めなかった。より一貫した論理を展開したジョセフ・プリーストリー（1733-1804）は、物体の性質は接触力学を超越する、つまり化学的性質には引力の能力が必要であると主張した。^[82]彼は、物質にはデカルトらのいわゆる基本的性質以外にも固有の力があると主張した。^[83]

プリーストリーの時代以来、物質世界の構成要素（分子、原子、素粒子）に関する知識は飛躍的に拡大した。19世紀には、周期表と原子論の発展に伴い、原子は物質の基本的な構成要素であると見なされ、原子は分子や化合物を形成するようになった。^[84]

空間を占有し質量を持つという一般的な定義は、物質の構造や、体積や質量とは必ずしも関係のない属性に依存する、物質の物理的および化学的定義のほとんどとは対照的です。19 世紀初頭、物質に関する知識は急速に進化し始めました。

ニュートンの見解の側面は依然として支配的であった。ジェームズ・クラーク・マクスウェルは著書『物質と運動』で物質について論じた。^{[85]彼は「物質」を空間と時間から注意深く切り離し、}ニュートンの運動の第一法則で言及されている物体の観点からそれを定義した。

しかし、ニュートンの考えは、全てを物語っていたわけではない。19世紀には、「物質」という言葉は多くの科学者や哲学者によって活発に議論され、その概要はレヴェールの著書に書かれている。^{[86] [さらに説明が必要]} 1870年の教科書の議論では、物質は原子で構成されているとされている。^[87]

科学では、物質は質量、分子、原子の 3 つの区分に分けられると認識されています。
質量とは、感覚で認識できる物質の一部です。分子
とは、物体をその性質を失うことなく分割できる最小の物質粒子です。
原子とは、分子の分割によって生成されるさらに小さな粒子です。

物質は単に質量を持ち空間を占めるという属性を持つのではなく、化学的、電気的性質を持つと考えられていた。1909年、有名な物理学者JJトムソン（1856-1940）は「物質の構成」について書き、物質と電荷のつながりの可能性について懸念していた。^[88]

19 世紀後半の電子の発見、そして 20 世紀初頭のガイガー・マースデン実験による原子核の発見、そして素粒子物理学の誕生により、物質は電子、陽子、中性子が相互作用して原子を形成することで構成されていると考えられるようになった。その後、「物質の構造」に関する文献が大量に作成され、20 世紀初頭の「電気構造」^[89]から、より最近では 1992 年にジェイコブが「物質のクォーク構造を理解することは、現代物理学における最も重要な進歩の 1 つである」と述べて紹介した「物質のクォーク構造」まで、多岐にわたる。^{[90] [さらなる説明が必要]}これに関連して、物理学者は物質場について語り、粒子を「物質場のモードの量子励起」として語る。^{[10] [11]}そして、デ・サバタとガスペリーニからの引用です。「この文脈では、「物質」という言葉は、相互作用の源、つまり、物質の基本的な構成要素であると考えられているスピノル場（クォークやレプトンなど） 、またはゲージ理論で質量を導入するために使用されるヒッグス粒子のようなスカラー場（ただし、より基本的なフェルミオン場で構成される可能性もあります）を指します。」^{[91] [さらに説明が必要]}

しかし、陽子と中性子は不可分ではなく、クォークに分割できます。そして、電子はレプトンと呼ばれる粒子ファミリーの一部です。クォークとレプトンは両方とも素粒子であり、2004年に学部生の教科書の著者によって物質の基本構成要素であるとみなされました。^[92]

これらのクォークとレプトンは、重力、電磁気、弱い相互作用、強い相互作用という 4 つの基本的な力を介して相互作用します。粒子物理学の標準モデルは現在、すべての物理学に対する最良の説明ですが、何十年にもわたる努力にもかかわらず、重力はまだ量子レベルで説明できていません。それは、スティーブン・ホーキングのような理論家を苛立たせる古典物理学によってのみ説明されています (量子重力と重力子を参照) ^[93] 。クォークとレプトンの相互作用は、クォークとレプトンの間で光子などの力を運ぶ粒子が交換された結果です。 ^[94]力を運ぶ粒子自体は構成要素ではありません。その結果、質量とエネルギー (現在の知識では生成も破壊もできません) は、必ずしも物質 (光子などの非物質粒子や、運動エネルギーなどの純粋なエネルギーからさえも生成できます) に関連しているとは限りません。^[要出典]力媒介物は通常は物質とは見なされない。電気力の媒介物（光子）はエネルギーを持ち（プランクの関係を参照）、弱い力の媒介物（WボソンとZボソン）は質量を持つが、どちらも物質とは見なされない。^{[95]しかし、これらの量子は物質とは見なされないが、原子、}素粒子、およびそれらを含むすべてのシステムの総質量に寄与する。^{[96] [97]}

物質に関する現代の概念は、基本的な構成要素が何であるか、そしてそれらがどのように相互作用するかについての知識の向上に鑑みて、歴史の中で何度も洗練されてきました。「物質」という用語は、物理学のさまざまな文脈で使用されています。たとえば、「凝縮物質物理学」^[98]、「素物質」^[99] 、 「パートン」物質、「暗黒」物質、「反」物質、「ストレンジ」物質、「核」物質などを指します。物質と反物質の議論では、前者はアルヴェーンによってコイノマター（ギリシャ語で「共通物質」）と呼ばれています。^[100]物理学では、物質の一般的な定義に関して幅広いコンセンサスはなく、「物質」という用語は通常、特定の修飾語と組み合わせて使用​​されていると言っても過言ではありません。

物質の概念の歴史は、物質を定義するために使われる基本的な長さのスケールの歴史である。物質を原子レベルで定義するか素粒子レベルで定義するかによって、異なる構成要素が適用される。物質を定義したいスケールに応じて、物質は原子、物質はハドロン、物質はレプトンとクォークという定義を使うことができる。 ^[101]

これらのクォークとレプトンは、重力、電磁気、弱い相互作用、強い相互作用という4つの基本的な力を介して相互作用します。粒子物理学の標準モデルは現在、すべての物理学に対する最良の説明ですが、何十年にもわたる努力にもかかわらず、重力はまだ量子レベルで説明できず、古典物理学によってのみ説明されています（量子重力と重力子を参照）。^[93]

• リリアン・ホッデソン、マイケル・リオーダン編（1997年）。『標準モデルの台頭』ケンブリッジ大学出版局。ISBN 978-0-521-57816-5。
• ティモシー・ポール・スミス (2004)。「通常の物質におけるクォークの探索」。隠された世界。プリンストン大学出版局。ISBN 978-0-691-05773-6。
• Harald Fritzsch (2005)。素粒子: 物質の構成要素。World Scientific。p. 1。Bibcode : 2005epbb.book..... F。ISBN 978-981-256-141-1。
• バートランド・ラッセル (1992)。「物質の哲学」。ライプニッツ哲学の批判的解説(1937 年第 2 版の再版)。Routledge。p. 88。ISBN 978-0-415-08296-9。
• スティーブン・トゥールミン、ジューン・グッドフィールド『物質のアーキテクチャ』（シカゴ：シカゴ大学出版局、1962年）。
• リチャード・J・コネル著『物質と生成』（シカゴ：プライオリー・プレス、1966年）。
• エルナン・マクマリン『ギリシャ哲学と中世哲学における物質の概念』（インディアナ州ノートルダム：ノートルダム大学出版局、1965年）。
• エルナン・マクマリン『現代哲学における物質の概念』（ノートルダム、インディアナ州：ノートルダム大学出版局、1978年）。

• 物質に関するビジョン学習モジュール
• 宇宙の物質 宇宙にはどれくらいの物質があるのでしょうか?
• NASA、中性子星の超流動コアについて
• 物質とエネルギー：誤った二分法 – 理論物理学者マット・ストラスラーとの科学についての対話