案件

物質とは、あらゆる物理的実体を表す一般的な用語であり、科学の分野によって定義が異なる場合がある。いくつかの定義は、質量と単なる物質の量を区別する理由がなかった時代の歴史的な用法に基づいている。これに対し、質量は実体ではなく、物質やその他の物質またはシステムの明確に定義された、広がりを持つ性質である。物理学では、静止質量、慣性質量、相対論的質量など、さまざまな種類の質量が定義されている。 

物理学では、物質はクォークやレプトンなどの静止質量を持つ粒子（つまり、光速で移動できない粒子）と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、物質は波動性と粒子性の両方の性質を示します（いわゆる波動粒子二重性）。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

物理的および化学的構造に基づく「物質」の定義は、物質は原子から構成されているというものである。^{[ 16 ]}このような原子物質は、通常の物質とも呼ばれることがある。例えば、デオキシリボ核酸分子（DNA）は、原子から構成されているため、この定義では物質である。この定義は、電荷を帯びた原子や分子を含めるように拡張することができ、原子の定義には明らかに含まれないプラズマ（イオンガス）や電解質（イオン溶液）も含まれる。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での「物質」の定義は、物質は原子や分子が構成されているもの、つまり正に帯電した陽子、中性子、負に帯電した電子で構成されているものすべてで構成されている、というものです。^{[ 17 ]}しかし、この定義は原子や分子を超えて、これらの構成要素から作られているが、単に原子や分子ではない物質、例えば、古いブラウン管テレビの電子ビームや、白色矮星物質（通常は縮退した電子の海の中にある炭素と酸素の原子核）なども含まれます。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である「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）で構成されており、次の定義につながります。

上記の議論で見たように、「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、この伝統に従う定義は、「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」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」と述べることができます。^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}これらの定式化間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バリオンはクォークで構成されている）が結合して原子を形成し、原子はさらに分子を形成する。原子と分子は物質であると言われているため、定義を「通常の物質とは、原子や分子と同じものでできているもの」と表現するのが自然である。（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。）次に、電子はレプトンであり、陽子と中性子はクォークでできているため、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る。これらは4種類の素粒子フェルミオンのうちの2種類である（残りの2種類は反クォークと反レプトンであり、後述するように反物質とみなすことができる）。カリザーズとグラニスは、「通常の物質は、第一世代粒子、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から構成されている」と述べている。^{[ 19 ]}（より高次の粒子はすぐに第一世代粒子に崩壊するため、一般的には遭遇しない。^{[ 21 ]}）

この通常の物質の定義は、一見したよりも微妙です。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）は基本フェルミオンですが、すべての力伝達粒子は基本ボソンです。^{[ 22 ]}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できていないため、質量を持っていても通常の物質ではありません。^{[ 23 ]}言い換えれば、質量は通常の物質に特有のものではありません。

しかし、クォーク・レプトンによる通常の物質の定義では、物質の基本構成要素だけでなく、それらの構成要素からなる複合体（例えば原子や分子）も含まれます。このような複合体は、構成要素を結合させる相互作用エネルギーを持ち、複合体の質量の大部分を占める可能性があります。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くなります。しかし、さらに詳しく見ていくと、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から構成されており（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ます。^{[ 24 ]}つまり、通常の物質の「質量」の大部分は、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す。^{[ 25 ]}例えば、核子中の3つのクォークの質量の合計は、およそ12.5 MeV/ c ² は、核子の質量 (約938 MeV/ c ²  ) ^{[ 26 ] [ 27 ]}要するに、日常的な物体の質量の大部分は、その基本構成要素の相互作用エネルギーに由来するということです。

標準模型では、物質粒子を3つの世代に分類しており、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ています。第1世代はアップクォークとダウンクォーク、電子と電子ニュートリノです。第2世代に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が含まれます。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ています。^{[ 28 ]}これに対する最も自然な説明は、高次の世代のクォークとレプトンが第1世代の励起状態であるというものです。これが事実であることが判明すれば、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します。^{[ 29 ]}

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）物質の保存則」とも言える法則にもつながります。あるいは、質量・体積・空間という物質の概念に戻ると、次の定義が得られ、そこでは反物質が物質のサブクラスとして含まれます。

物質の一般的な定義または伝統的な定義は、「質量と体積（空間を占める）を持つもの」です。^{[ 30 ] [ 31 ]}例えば、車は質量と体積（空間を占める）を持つため、物質でできていると言えます。

物質が空間を占めるという観察は古代にまで遡ります。しかし、物質が空間を占める理由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^{[ 32 ] [ 33 ]}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つの具体的な例は、白色矮星と中性子星であり、これについては後述します。

したがって、物質とは、素粒子フェルミオンから構成されるすべてのものと定義できます。日常生活では目に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、素粒子フェルミオンでもあります。そして、本質的にはクォークとレプトンと同じ性質を持ち、パウリの排他原理も適用可能です。この原理は、2つの粒子が同時に同じ場所（同じ状態）に存在することを防ぎ、つまり各粒子が「空間を占める」ようにするものです。この定義により、物質には、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から構成されるものも含まれることになり、したがって、クォークと反クォークから構成される不安定な粒子である中間子から構成されるものも含まれることになります。

相対性理論の文脈では、質量は加算可能な量ではなく、系内の粒子の静止質量を足し合わせて系の全静止質量を得ることはできません。^{[ 1 ] : 21}相対性理論では、通常、物質の量を定量化するのは静止質量の合計ではなく、エネルギー・運動量テンソルであるという、より一般的な見解が取られています。このテンソルは、系全体の静止質量を与えます。したがって、物質は、系のエネルギー・運動量に寄与するもの、つまり、純粋に重力ではないものすべてとみなされることがあります。^{[ 34 ] [ 35 ]}この見解は、宇宙論など一般相対性理論を扱う分野では一般的に受け入れられています。この見解では、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す。

クォークはスピン1/2の質量を持つ粒子であり、フェルミオンであることを意味します。クォークは-1 / 3e（ダウン型クォーク）または+ 2 / 3e （アップ型クォーク）の電荷を持ちます。比較のために、電子の電荷は-1eです。クォークはカラー電荷も持ち、これは強い相互作用における電荷に相当します。クォーク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。   

バリオン

バリオンは強く相互作用するフェルミオンであり、フェルミ・ディラック統計に従います。バリオンには原子核に存在する陽子や中性子などがありますが、他にも多くの不安定なバリオンが存在します。バリオンという用語は通常、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」なバリオンはペンタクォークと呼ばれますが、その存在は一般的には認められていません。

バリオン物質とは、宇宙のうちバリオン（すべての原子を含む）で構成されている部分です。この宇宙の部分には、ダークエネルギー、ダークマター、ブラックホール、または白色矮星や中性子星を構成するような縮退物質のさまざまな形態は含まれません。ウィルキンソンマイクロ波異方性プローブ（WMAP）によって観測されたマイクロ波光は、最高の望遠鏡の観測範囲内にある宇宙の部分（つまり、そこから光が届く可能性があるため、観測可能な物質）のうち、バリオン物質で構成されているのは約 4.6% にすぎないことを示唆しています。約 26.8% はダークマター、約 68.3% はダークエネルギーです。^{[ 37 ]}

宇宙の通常の物質の大部分は目に見えない。なぜなら、銀河や銀河団の中にある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 パーセント未満だからである。^{[ 38 ]}

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-1e （荷電レプトン）または0e （ニュートリノ）です。クォークとは異なり、レプトンはカラー電荷を持たないため、強い相互作用を受けません。また、レプトンは放射性崩壊を起こすため、弱い相互作用を受けます。レプトンは質量を持つ粒子であるため、重力の影響を受けます。  

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を指す名称である。その正確な性質は現在謎に包まれているが、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、その影響を合理的にモデル化することができる。^{[ 72 ] [ 73 ]}

宇宙の物質密度の実に70%はダークエネルギーの形で存在しているようです。26%はダークマターです。通常の物質はわずか4%に過ぎません。つまり、実験的に観測された、あるいは素粒子物理学の標準模型で記述されている物質は、全体の20分の1にも満たないのです。残りの96%については、先に述べた性質を除けば、私たちは全く何も知りません。

古代インドでは、仏教、ヒンドゥー教、ジャイナ教の哲学的伝統はそれぞれ、物質は「永遠で、破壊不可能で、部分がなく、無数にある」原子（パラマヌ、プドガラ）で構成されており、自然の法則に従って結合または解離してより複雑な物質を形成すると仮定した。^{[ 6 ]}彼らは魂、あるいは魂の欠如についての考えを物質の理論に結びつけた。この理論の最も強力な発展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広く受け入れられた。^{[ 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発展させたが、それはヴァイシェーシカ学派に似ていたものの、魂や良心は含まれていなかった。^{[ 6 ]}ジャイナ教の哲学者は魂（ジーヴァ）を含め、各原子に味、匂い、触覚、色などの性質を加えた。^{[ 78 ]}彼らは、ヒンドゥー教や仏教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い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。また、原子は反対の性質の引力によって結合し、魂はこれらの原子に付着し、カルマの残滓とともに変化し、生まれ変わるたびに転生するという可能性も提案した。^{[ 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考察した。タレス（紀元前624年頃～紀元前546年頃）は、水を世界の基本的な物質とみなした。アナクシマンドロス（紀元前610年頃～紀元前546年頃）は、基本的な物質は完全に無形または無限である、すなわち無限（アペイロン）であると提唱した。アナクシメネス（紀元前585年に活躍、紀元前528年に死去）は、基本的な物質はプネウマ、すなわち空気であると提唱した。ヘラクレイトス（紀元前535年頃～紀元前475年頃）は、基本的な要素は火であると述べているようだが、おそらく彼は万物は変化するという意味で言っているのだろう。エンペドクレス（紀元前490年頃～紀元前430年頃）は、万物は土、水、空気、火の4つの要素からできていると述べている。^{[ 79 ]}一方、パルメニデスは変化は存在しないと主張し、デモクリトスは万物は原子と呼ばれるあらゆる形の微小で不活性な物体から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、深刻な哲学的問題を抱えていた。^{[ 80 ]}

アリストテレス（紀元前384年～紀元前322年）は、自然哲学、特に『物理学』第1巻において、この概念を確固たる哲学的基盤の上に置いた最初の人物である。 ^{[ 81 ]}彼は、エンペドクレスの4つの元素を妥当な仮定として採用したが、5番目の元素としてエーテルを追加した。しかしながら、これらの元素はアリストテレスの心の中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、それらは基本原理である物質と形相から構成されている。

私が考える物質とは、まさにこういうものだ。あらゆるものの根源的な基盤であり、そこから無条件に生じ、結果として生じるものの中にも存続するものである。

アリストテレスが物質を表すのに用いた言葉、ὕλη（hyleまたはhule）は、文字通り木材または材木、つまり建築の「原材料」と訳すことができる。^{[ 82 ]}実際、アリストテレスの物質の概念は、何かが作られることや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、物質を単に空間を占めるものと捉える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。物質とは、実体の変化の根底にあるものである。例えば、馬は草を食べる。馬は草を自分自身に変える。草そのものは馬の中に存続しないが、その何らかの側面、つまり物質は存続する。物質は具体的に記述されるわけではない（例えば、原子として）が、草から馬への実体の変化において存続するものから成る。この理解における物質は、独立して存在する（つまり、実体として）のではなく、形相と相互依存的に（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。質料と形の関係を、部分と全体の関係に非常によく似ていると考えると理解しやすいだろう。アリストテレスによれば、質料そのものは形からのみ現実性を受け取ることができ、それ自体には活動性も現実性もない。これは、部分そのものが全体の中にのみ存在し得るのと同様である（そうでなければ、それらは独立した全体となるだろう）。

フランスの哲学者ルネ・デカルト（1596年～1650年）は、物質に関する近代的な概念の創始者である。彼は主に幾何学者であった。物質の存在を物理的変化の現実から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な数学的実体であると恣意的に仮定した。

つまり、長さ、幅、深さの広がりは、身体の本質を構成し、思考は思考する本質を構成する。そして、身体に帰属する他のすべてのものは、広がりを前提としており、広がりを持つものの様態にすぎない。

デカルトにとって、物質は延長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。^{[ 84 ]}これは機械論哲学である。デカルトは、延長のない思考する実体と定義する精神と、思考しない延長された実体と定義する物質との間に絶対的な区別を設けている。^{[ 85 ]}これらは独立したものである。対照的に、アリストテレスは物質と形式原理／形成原理を、共に一つの独立したもの（実体）を構成する補完的な原理として定義している。要するに、アリストテレスは物質を（大まかに言えば）実際に何でできているか（独立した存在の可能性を持つ）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ものにまで高めている。

デカルトとアリストテレスの概念の連続性と相違点は注目に値する。どちらの概念においても、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にある。アリストテレスにとって、物質と知性（形相）は相互依存的な関係で共存するが、デカルトにとって、物質と知性（精神）は定義上対立する独立した実体である。^{[ 86 ]}

デカルトが物質の固有の性質を延長に限定した根拠は、その永続性であるが、彼の真の基準は永続性（これは色や抵抗にも同様に当てはまる）ではなく、幾何学を用いてすべての物質的性質を説明したいという願望である。^{[ 87 ]}デカルトと同様に、ホッブズ、ボイル、ロックは、物体の固有の性質は延長に限定され、色などのいわゆる二次的性質は人間の知覚の産物にすぎないと主張した。^{[ 88 ]}

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論的概念を受け継いだ。ニュートンは著書『哲学における推論の規則』の第3章で、物質の普遍的な性質として「広がり、硬さ、不透過性、可動性、慣性」を挙げている。^{[ 89 ]}同様に『光学』では、神が物質を「固体で、質量があり、硬く、不透過性で、可動性のある粒子」として創造したと推測しており、それらは「摩耗したり、粉々に砕けたりすることのないほど非常に硬い」ものであった。^{[ 90 ]}物質の「主要な」性質は、色や味などの「二次的な」性質とは異なり、数学的に記述することができた。デカルトと同様に、ニュートンも二次的な性質の本質性を否定した。^{[ 91 ]}

ニュートンは、物質に（少なくとも限定的な範囲で）質量などの固有の性質を回復させることで、デカルトの物質概念を発展させた。ニュートンが用いた「遠隔作用」の重力は、相互作用が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。^{[ 92 ]}

ニュートンの重力は物体の力のように思えるが、ニュートン自身はそれが物質の本質的な性質であるとは認めていなかった。ジョセフ・プリーストリー（1733-1804）は、この論理をより一貫して推し進め、物体の性質は接触力学を超越すると主張した。化学的性質には引力が必要である。^{[ 92 ]}彼は、物質にはデカルトらが言うところの基本的な性質以外にも固有の力があると主張した。^{[ 93 ]}

プリーストリーの時代以来、物質世界の構成要素（すなわち、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考えられ、原子は分子や化合物を形成すると考えられた。^{[ 94 ]}

空間を占め、質量を持つという一般的な物質の定義は、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基づく、ほとんどの物理的・化学的定義とは対照的である。19世紀初頭、物質に関する知識は急速な発展を遂げ始めた。

ニュートンの考え方の側面は依然として影響力を持っていた。ジェームズ・クラーク・マクスウェルは著書『物質と運動』の中で物質について論じた。^{[ 95 ]}彼は「物質」を空間と時間から注意深く分離し、ニュートンの第一運動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、ニュートンの描く世界は物語のすべてではありませんでした。19世紀には、「物質」という用語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に見ることができます。^{[ 96 ]} 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示唆されています。^{[ 97 ]}

科学では、物質は質量、分子、原子の3つの単位に分類されます。質量とは、感覚で知覚できる物質のあらゆる部分を指します。分子とは、物体がその性質を失うことなく分割できる最小の粒子です。原子とは、分子がさらに分割されて生じる、より小さな粒子です。

物質は単に質量を持ち空間を占めるという属性を持つだけでなく、化学的性質や電気的性質も持つと考えられていた。1909年、著名な物理学者JJトムソン（1856-1940）は「物質の構成」について論じ、物質と電荷の間の可能性のある関連性について考察した。^{[ 98 ]}

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と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ものと見なされるようになった。その後、「物質の構造」に関する文献が数多く発展し、20世紀初頭の「電気構造」^{[ 99 ]}から、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」と述べて導入した、より最近の「物質のクォーク構造」まで多岐に渡る。^{[ 100 ]}この関連で、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」と呼ぶ。^{[ 9 ] [ 10 ]}デ・サバタとガスペリーニの引用は次のとおりです。「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構成要素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などのスカラー場（ただし、より基本的なフェルミオン場から構成されている可能性がある）を指します。」^{[ 101 ]}

しかし、陽子と中性子は分割不可能ではなく、クォークに分割できます。また、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どちらも素粒子であり、2004年に学部生向けの教科書の著者によって物質の基本構成要素と見なされました。^{[ 102 ]}

これらのクォークとレプトンは、重力、電磁力、弱い相互作用、強い相互作用という 4 つの基本力によって相互作用します。素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、数十年に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。重力は古典物理学によってのみ記述されています(量子重力と重力子を参照) ^{[ 103 ]} 。これは、スティーブン・ホーキングのような理論家を苛立たせています。クォークとレプトンの間の相互作用は、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る結果です。 ^{[ 104 ]}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ない) は、物質 (光子などの非物質粒子、あるいは運動エネルギーなどの純粋なエネルギーから生成される) と常に関連付けられるとは限りません。力の媒介粒子は通常、物質とはみなされません。電気力の媒介粒子（光子）はエネルギーを持ち（プランクの関係を参照）、弱い力の媒介粒子（WボソンとZボソン）は質量を持ちますが、どちらも物質とはみなされません。^{[ 105 ]}ただし、これらの量子は物質とはみなされませんが、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します。^{[ 106 ] [ 107 ]}