Unter Materie (von ) versteht man in der klassischen Physik und der Chemie alles, was Platz braucht und Masse hat, also etwa chemische Stoffe beziehungsweise Materialien sowie deren Bausteine. Demgegenüber stehen die Begriffe Vakuum und Kraftfeld, die unabhängig von der Anwesenheit von Materie einen Zustand des Raums beschreiben, der nicht mit einer Masse verbunden ist.
In der modernen Physik wird der Begriff Materie heute gegenüber den Begriffen Vakuum und Feld nicht mehr einheitlich abgegrenzt. In den Lehrbüchern der Physik wird der Materiebegriff überwiegend ohne eine genauere Definition vorausgesetzt. In seiner engsten Bedeutung meint man mit dem Begriff Materie alle Elementarteilchen mit Spin , also Quarks und Leptonen, sowie alles daraus aufgebaute, wie Atome, Moleküle, feste, flüssige und gasförmige Stoffe, bis hin zu Sternen und Galaxien.
Die Entwicklung des physikalischen Materiebegriffs Herausbildung Ein konkreter physikalischer Begriff der Materie festigte sich innerhalb des äußerst vielschichtigen philosophischen Begriffs von Materie, als gegen 1600 die experimentellen Naturwissenschaften entstanden.Max Jammer Der Begriff der Masse in der Physik Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt 1964 (Concepts of Mass in Classical and Modern Physics, Harvard 1961). In seiner allgemeinsten, ontologischen Bedeutung bezeichnete der philosophische Begriff als Materie alles, was im weitesten Sinn geformt werden kann und im Extremfall überhaupt erst einer Formung bedarf, damit etwas Bestimmtes, das wir erkennen können, entstehen kann. In der engeren Bedeutung bezeichnete er die stoffliche Materie, aus der die Körper bestehen. Auf diese Materie konzentrierte sich die mit Galilei beginnende Entwicklung der Physik. Zu den primären Eigenschaften der stofflichen Materie, also den allgemeinsten Eigenschaften der materiellen Körper, wurden Ausdehnung, Teilbarkeit, Fähigkeit zur Ruhe oder Bewegung und Widerstand gegenüber Bewegung gezählt. Für die Gesamtmenge der Materie wurde auch bereits ein Erhaltungssatz angenommen, was unter anderem die Frage aufwarf, wodurch die Menge zu bestimmen sei. Das Gewicht eines Körpers schied als Maß für die in ihm enthaltene Materiemenge zunächst aus, denn nach der zu Galileis Zeiten noch stark von Aristoteles beeinflussten Lehre galt Schwere gar nicht als Eigenschaft aller materiellen Körper.
Johannes Kepler näherte sich dem gesuchten Maß über die Trägheit der Körper gegenüber Bewegungen, während René Descartes die rein geometrische Eigenschaft der Raumerfüllung für das eigentliche Maß hielt. Isaac Newton war Atomist und sah folglich materielle Körper zusammengesetzt aus unteilbaren Teilchen sowie dazwischen liegendem leerem Raum. Die Menge der Teilchen () bestimmte er mathematisch durch das Produkt aus Volumen und Dichte des Körpers, wobei die Dichte offensichtlich als Teilchenmenge pro Volumeneinheit verstanden wurde.Isaac Newton: Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, Vorrede zur 3. Auflage, Erklärungen. Deutsche Übersetzung In seiner Mechanik gab er der Materiemenge unter dem Namen „Körper“ oder „Masse“ eine zentrale Rolle: die Masse eines materiellen Objekts zieht sowohl seine Trägheit als auch sein Gewicht nach sich. Erst hierdurch wurde aus der Masse bzw. der Menge an Materie eine naturwissenschaftlich definierte Größe. Für die Erklärung der mechanischen Vorgänge auf der Erde wie auch der Bewegungen der Himmelskörper hatte die so begründete Newtonsche Mechanik einen überragenden Erfolg, der auch wesentlich zur Ausbreitung des naturwissenschaftlichen Weltbilds beigetragen hat.
Im Einklang mit dem alltäglichen Umgang mit materiellen Körpern, und mit den Möglichkeiten damaliger Experimentierkunst, hielt man deren Masse und Raumbedarf für weitgehend unveränderlich, jedenfalls im Hinblick auf mechanische Vorgänge mit einem gegebenen Stück fester Materie. Erst als von Robert Boyle, Edme Mariotte, Blaise Pascal und anderen entdeckt wurde, dass auch Luft wohlbestimmte mechanische Eigenschaften hat, darunter sogar auch Gewicht, wurden die Gase zu physikalischen Körpern, die allerdings im Unterschied zu festen und flüssigen Körpern nicht mehr das Kriterium eines bestimmten Raumbedarfs erfüllten, da sie bestrebt sind, jeden zur Verfügung gestellten Raum einzunehmen.
Damit rückten im 17. Jahrhundert auch „chemische“ Vorgänge wie Verdampfen, Kondensieren und Sublimieren in den Bereich der Physik. Boyle konnte diese Umwandlungen mit der Annahme einer atomistischen Struktur der Materie (nach Pierre Gassendi, Lukrez, Demokrit) in dem noch heute gültigen Bild als rein mechanische Vorgänge deuten:Marie Boas Hall: Robert Boyle and Seventeenth-Century Chemistry, Cambridge University Press, 1958. Atome, die wieder wie feste Körper als undurchdringlich angenommen wurden, können sich verschieden anordnen und haben in Gasen einen großen Abstand voneinander. Boyle bereitete auch die Begriffe des chemischen Elements und des Moleküls und damit die Überwindung der Alchemie vor. Er vermutete, dass jeder homogene Stoff aus kleinen gleichen Teilchen – nach heutiger Bezeichnung eben den Molekülen –, bestünde, und dass die Moleküle ihrerseits aus Atomen aufgebaut seien. Dabei seien die Moleküle verschiedener Stoffe verschieden, die Anordnung der Atome in den Molekülen aber je nach Stoff genau festgelegt. Dann würden wenige verschiedene Arten von Atomen ausreichen, die große Vielfalt verschiedener Stoffe zu erklären, nämlich durch die Vielfalt der möglichen Kombinationen und räumlichen Anordnungen der Atome in den Molekülen. Nachdem gegen Ende des 18. Jahrhunderts Antoine de Lavoisier die Erhaltung der Masse bei chemischen Stoffumwandlungen – vor allem auch bei Reaktionen mit Entstehung oder Verbrauch von Gasen – nachgewiesen hatte, machte John Dalton ab 1803 die Annahme unveränderlicher und unvergänglicher Atome endgültig zur Grundlage einer neuen Chemie. Diese konnte mit außerordentlichem Erfolg die Vielzahl der Stoffe und ihr Verhalten detailliert erklären und daher im Laufe des 19. Jahrhunderts die Alchemie aus der Wissenschaft verdrängen.
Klassischer und alltäglicher Materiebegriff Der Begriff der Materie in der klassischen Physik stimmt weitgehend mit dem umgangssprachlichen Sinn von Materie oder materiell überein, sofern damit der Unterschied von körperlichen und nichtkörperlichen Dingen benannt werden soll. Ein Stück Materie hat dabei zwei allgemeine und grundlegende Eigenschaften: In jedem Moment besitzt es eine bestimmte Masse und eine bestimmte Form, mit der es ein gewisses Volumen ausfüllt. Um Materiemengen anzugeben, werden die Größen Masse (umgangssprachlich meist ausgedrückt als „Gewicht“) und Volumen verwendet.
Materie bildet damit in der klassischen Physik den Gegensatz zum leeren Raum oder absoluten Vakuum und zu den eventuell darin existierenden masselosen Kraftfeldern. Zur näheren Charakterisierung makroskopischer Materie gibt es zahlreiche spezielle physikalische und chemische Parameter und Materialeigenschaften. Solche Materie kann unseren Sinnen als vollkommen homogenes Kontinuum erscheinen, und sie wird in Teilen der Physik auch heute so behandelt. Dennoch ist Materie stets aus diskreten Materieteilchen aufgebaut, die die mikroskopische Struktur der Materie bilden. Für eine direkte Wahrnehmung mit unseren Sinnen oder auch mit dem Lichtmikroskop sind diese Teilchen um viele Größenordnungen zu klein und blieben daher auch lange hypothetisch. Die Angabe der Teilchenzahl ist die genaueste Möglichkeit, eine Menge an Materie zu bestimmen. Bei makroskopischer Menge wählt man hierzu eine eigens definierte physikalische Größe, die Stoffmenge. Die Angabe der Teilchenzahl muss stets mit der Information verbunden sein, um welche Art (oder Arten) von Teilchen es sich handelt.
In der klassischen Physik und Chemie sind die Teilchen, aus denen die Materie aufgebaut ist, die Atome oder die aus bestimmten Atomarten in festgelegter Weise zusammengesetzten Moleküle. Dabei wurden die Atome als unteilbare Körperchen von bestimmter Masse und bestimmtem Volumen angenommen. Sie sollten – im Einklang mit der damals in allen chemischen und physikalischen Umwandlungen beobachteten Erhaltung der Masse – auch absolut stabil sein und insbesondere weder erzeugt noch vernichtet werden können. Zusammen mit dem naturwissenschaftlichen Nachweis, dass es die Atome wirklich gibt, wurde Anfang des 20. Jahrhunderts allerdings auch entdeckt, dass diese Annahmen über ihre Beschaffenheit nicht ganz zutreffen.
Grenzen des klassischen Materiebegriffs In der modernen Physik wurden auch die Atome als zusammengesetzte physikalische Systeme erkannt. Sie sind aus noch kleineren Materieteilchen aufgebaut, den Elektronen (die zu den oben erwähnten Leptonen gehören) und Quarks. Diese haben zwar Masse, aber kein nachweisbares Eigenvolumen. Neben diesen Bausteinen der Atome gibt es zahlreiche weitere Arten Elementarteilchen, teils mit, teils ohne eigene Masse. Ausnahmslos alle Elementarteilchen können unter bestimmten Bedingungen erzeugt und vernichtet werden, und das gilt dementsprechend auch für die Atome. Damit zeigen die Bausteine, aus denen die Materie aufgebaut ist, selbst nicht alle grundlegenden Eigenschaften, die in der klassischen Physik mit Materie verbunden waren.
Des Weiteren hat sich in der modernen Physik auch der Gegensatz zwischen massebehafteter Materie und masselosem Feld aufgelöst, und zwar von beiden Seiten her: Zum einen folgt aus der Äquivalenz von Masse und Energie, dass diese Felder, wenn sie in einem Objekt eingeschlossen sind, einen Beitrag zur Masse dieses Objekts liefern. Zum anderen ist in der Quantenfeldtheorie jedes Elementarteilchen nichts anderes als eine im Vakuum existierende diskrete Anregung eines bestimmten Feldes.
Daher gibt es bei manchen quantenphysikalischen Objekten unterschiedliche Ansichten darüber, ob sie zur Materie gezählt werden sollen oder nicht. Definiert man die Grenze z. B. durch das Kriterium einer nichtverschwindenden Masse, dann zählen auch Teilchen wie die W- und Z-Bosonen zur Materie. Sie nehmen aber keinen bestimmten Raum ein und stehen auch deutlich im Widerspruch zu der Vorstellung, dass Materie etwas Dauerhaftes sei. Im Zusammenhang mit der schwachen Wechselwirkung werden diese Teilchen nämlich als deren Austauschteilchen angesehen, die also durch ihre fortwährende virtuelle Erzeugung und Vernichtung in beliebiger Zahl diese Wechselwirkung zustande kommen lassen. Nimmt man andererseits gerade die Stabilität der Materie zum Ausgangspunkt, so wählt man die zur Materie zu zählenden Teilchenarten danach aus, dass für die Teilchenzahl ein Erhaltungssatz gilt. Dann können nur Quarks und Leptonen als die elementaren Materieteilchen gelten, wie ihre Antiteilchen auch, aber beides auch nur in dem Rahmen, dass ihre gegenseitige Vernichtung oder paarweise Erzeugung unbeachtet bleibt. Überdies hätte dann bei allen Körpern, die im Alltag und umgangssprachlich zur Materie gezählt werden, der Großteil ihrer Masse nichts mit Materie zu tun. Denn über 99 % der Masse dieser materiellen Körper wird von Protonen und Neutronen beigesteuert, die ihrerseits ihre Masse nicht durch Massen der darin enthaltenen Quarks erhalten, sondern zu fast 99 % erst durch die Bindungsenergie zwischen den Quarks, die von den masselosen Austauschteilchen der starken Wechselwirkung, den Gluonen, verursacht wird.
Die Frage der Einheitlichkeit der Materie