물질

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1. 개요

물질은 질량과 부피를 가지며, 변화, 현상, 사건 등과 구별되는 개념이다. 일반적으로 물질은 질량과 부피를 갖는 존재로 정의되며, 고체, 액체, 기체, 플라스마 등 다양한 상태로 존재한다. 현대 물리학에서는 쿼크와 렙톤과 같은 기본 입자를 물질의 최소 단위로 정의하며, 반물질과 암흑 물질도 물질의 범주에 포함된다. 철학적으로는 고대 인도, 그리스 철학 등에서 물질에 대한 다양한 관점이 제시되었으며, 현대 과학에서는 원자, 분자, 입자 수준에서 물질을 탐구하고 있다.

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물질
개요
정의	질량과 부피를 가지는 것
설명	공간을 점유하고 에너지를 가지며, 운동량을 가질 수 있는 것
역사 및 철학적 관점
고대 그리스	원자론 (데모크리토스)
인도 철학	물질의 원소 (프리트비, 아파스, 테자스, 바유, 아카샤)
구성 요소
기본 입자	쿼크 렙톤 게이지 보손
복합 입자	원자 분자
상태
주요 상태	고체 액체 기체 플라스마
기타 상태	보스-아인슈타인 응축 페르미온 응축 기묘한 물질 퇴행 물질 초임계 유체
질량과의 관계
질량-에너지 등가 원리	E=mc² (에너지와 질량은 서로 변환 가능)
추가 정보
반물질	반대 전하와 양자수를 가진 물질
암흑 물질	전자기파와 상호작용하지 않아 직접 관측 불가능한 가상의 물질

2. 정의

물질에 대한 개념은 시대와 학문 분야에 따라 다양하게 변화해 왔다. 현대 물리학에서도 "물질"이라는 용어는 응집 물질 물리학,^[94] 기본 물질,^[95] 암흑 물질, 반물질, 기묘 물질, 핵 물질 등 매우 폭넓은 맥락에서 사용되며, 모든 분야를 아우르는 보편적인 단일 정의는 아직 없다.^[96] 물질과 반물질을 구분할 때, 보통의 물질을 한네스 알벤은 '코이노물질'(koinomatter)이라고 부르기도 했다.^[96]

물질 개념의 역사는 물질을 정의하는 데 사용된 근본적인 길이 척도의 역사와 같다. 시대와 관점에 따라 물질은 원자, 핵자, 또는 더 근본적인 쿼크와 렙톤 수준에서 정의될 수 있다.^[97] 현대 표준 모형에 따르면, 이러한 쿼크와 렙톤은 중력, 전자기력, 약한 상호작용, 강한 상호작용이라는 네 가지 기본 힘을 통해 상호 작용한다. 표준 모형은 현재까지 알려진 대부분의 물리 현상을 성공적으로 설명하지만, 중력을 양자 수준에서 설명하는 양자 중력 이론은 아직 완성되지 않았다.^[89]

물질에 대한 탐구는 고대 문명까지 거슬러 올라간다. 메소포타미아에서는 기원전 3000년경 이미 액체의 증류나 광석의 승화 기술이 발달했으며, 이후 합금, 유리, 향료 제조 기술도 퍼져나갔다.^[102] 그러나 당시 사람들은 물질의 변화를 자연신이나 반신들의 이야기, 즉 신화를 통해 이해하는 경우가 많았다.^[102] 바빌로니아에서는 천체, 금속, 인체 부위 등을 '일곱'이라는 숫자로 묶어 설명하는 복잡한 체계가 있었지만, 오늘날의 '물질'에 해당하는 명확한 개념이 독립적으로 존재했다고 보기는 어렵다.^[102]

서양 철학사에서 물질 개념은 고대 그리스 소크라테스 이전 철학자들로부터 본격적으로 논의되기 시작했다. 그들은 만물의 근원, 즉 ἀρχή|아르케^grc를 탐구했다. 탈레스는 물, 아낙시메네스는 공기, 헤라클레이토스는 불을 아르케로 제시했는데, 이는 단순히 오늘날의 물, 공기, 불을 의미하는 것을 넘어 생명, 마음, 사고 등 모든 자연 현상을 설명하려는 시도였다.^[102] 이러한 초기 사상은 유물론의 기원으로 여겨지기도 하지만, 동시에 물질 안에 생명력이 내재되어 있다고 보는 관점도 포함했다.^[102] 이후 데모크리토스는 더 이상 쪼갤 수 없는 원자가 물질의 기본 단위라는 원자론을 주장했고, 플라톤은 영원불변하는 이데아가 참된 실재이며 물질은 이데아의 불완전한 그림자라고 보는 이데아론과 유기체론을 펼쳤다.^[102] 흥미롭게도 플라톤은 『티마이오스』에서 엠페도클레스의 사원소(불, 공기, 물, 흙)를 정다면체(정사면체, 정팔면체, 정이십면체, 정육면체)와 연결시키는 독창적인 기하학적 물질 구조 가설을 제시하기도 했다.^[102] 아리스토텔레스는 현실의 개별 사물이 질료(휠레, ὕλη|hyle^grc)와 형상(에이도스, εἶδος|eidos^grc)의 결합으로 이루어져 있다는 질료형상론을 제시했다.^[102] 이 고대 그리스 철학자들의 다양한 물질관은 이후 서양 사상사에서 반복적으로 나타나며 큰 영향을 미쳤다.^[102]

근대 이후에도 물질의 본질에 대한 철학적 논쟁은 계속되었다. 데카르트는 물질의 본질을 공간을 차지하는 성질(연장)으로 보았고, 라이프니츠는 연장이 없는 힘의 중심으로 보았다.^[101] 버클리와 같은 주관적 관념론자들은 물질의 독립적인 실재를 부정하고 인식을 통해 존재한다고 보았으며,^[105] 칸트는 물질 자체(물자체)는 인간이 인식할 수 없다는 불가지론적 입장을 취하기도 했다.^[101] 한편, 세상이 물질만으로 이루어져 있다고 보거나 모든 현상을 물질적 작용으로 설명하려는 입장을 유물론이라고 한다. 이는 정신과 같은 비물질적 실체를 인정하는 실체 이원론이나 관념론과 대립한다.

20세기 초까지도 과학계에서는 원자의 실제 존재 여부에 대한 논쟁이 있었고, 에너지만이 실재한다고 주장하는 에너지론(Energetiker)과 같은 견해도 있었다.^[101] 그러나 1930년대 이후 전자, 양성자, 중성자 등 아원자 입자들이 실험적으로 발견되고 양자역학이 확립되면서 물질에 대한 이해는 혁명적으로 변화했다. 이는 20세기 과학의 가장 큰 성과 중 하나로 꼽힌다.^[101] 양자역학에 따르면 물질은 입자성과 파동성을 동시에 가지며(파동-입자 이중성), 양자장론에서는 장의 들뜬 상태(여기 상태)로 이해된다. 물질을 구성하는 기본 입자인 페르미온(쿼크, 렙톤)은 파울리 배타 원리에 따라 같은 양자 상태를 동시에 점유할 수 없어 '공간을 차지하는' 성질을 갖는다. 반면, 광자와 같이 힘을 매개하는 보손은 이 원리를 따르지 않아 여러 입자가 같은 상태에 있을 수 있다.

현대 입자물리학에서는 힉스 메커니즘을 통해 쿼크나 렙톤과 같은 입자들이 어떻게 질량을 갖게 되었는지 설명한다. 빅뱅 이후 우주가 식으면서 힉스 장이 자발 대칭 깨짐을 통해 0이 아닌 진공 기대값을 갖게 되었고, 이 장과의 상호작용을 통해 입자들이 질량을 얻었다는 것이다. 이 이론은 2012년 힉스 보손의 발견으로 강력하게 뒷받침되었다. 또한, 우주 에너지의 상당 부분을 차지하지만 직접 관측되지 않는 암흑 물질과 암흑 에너지의 존재가 간접적으로 확인되었고, 중성자별 내부나 쿼크-글루온 플라즈마와 같이 극한 환경에서 나타나는 새로운 물질 상태에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. WMAP 등의 관측 결과에 따르면, 우리가 일상적으로 접하는 원자로 이루어진 보통 물질은 우주 전체 에너지의 약 5%에 불과하며, 나머지는 암흑 에너지(약 70%)와 암흑 물질(약 25%)로 구성되어 있을 것으로 추정된다.

철학적 관점에서 물질은 우주를 구성하는 여러 존재 중 하나로 여겨지며, 종종 변화, 현상, 사건 등과 구분된다. 물질은 변화나 현상이 일어나는 대상이나 바탕이 되지만, 변화나 현상 그 자체는 아니다. 또한 물질은 마음(정신, 의식), 정보, 에너지, 공간 등 비물질적인 것으로 여겨지는 개념들과 대비되기도 한다. 그러나 이러한 구분은 인간의 직관에 기반한 것으로, 현대 과학, 특히 양자장론에서는 진공조차도 장의 가장 낮은 에너지 상태로 이해하는 등 그 경계가 명확하지 않을 수 있다. 물질적인 것에 가치를 두는 태도는 물질주의라고 불린다.

2. 1. 일반적 정의

물질에 대한 일반적인 정의는 질량과 부피를 갖는 존재이다. 이러한 정의에 따르면 자동차처럼 무게가 있고 공간을 차지하는 것도 하나의 물질로 볼 수 있다.^[126]^[127]

사람들은 아주 오래전부터 물질을 관찰해 왔지만, 물질이 왜 공간을 차지하는지에 대한 이론은 비교적 최근에 정립되었다. 파울리 배타 원리에 따르면, 같은 양자 상태에 두 개의 동일한 페르미온이 동시에 존재할 수 없다. 이 원리 때문에 물질은 서로 겹쳐질 수 없다.^[128]^[129] 파울리 배타 원리를 극명하게 보여주는 천체로는 백색왜성과 중성자별 등이 있다.

현대 물리학에서 물질은 질량과 동일한 개념이 아니므로 혼동해서는 안 된다.^[9] 물질은 모든 '물리적 실체'를 설명하는 일반적인 용어인 반면, 질량은 물질 자체라기보다는 물질이나 다른 실체, 시스템 등이 갖는 확장적인 특성이다. 물리학에서는 정지 질량, 관성 질량, 상대론적 질량, 질량-에너지 등 다양한 종류의 질량을 정의하여 사용한다.

또한, 물질에는 반물질이라는 "반대" 개념이 존재하지만, 질량에는 그러한 반대 개념이 없다. "반질량"이나 음의 질량과 같은 것은 아직 발견되지 않았지만, 과학자들 사이에서 그 개념에 대한 논의는 이루어지고 있다. 반물질은 일반적인 물질과 동일하게 양(+)의 질량 특성을 갖는다.

다양한 과학 분야에서는 '물질'이라는 용어를 서로 다르게, 때로는 상반되는 방식으로 사용하기도 한다. 이러한 사용 방식 중 일부는 질량을 단순히 물질의 양과 구별할 필요가 없었던 과거의 느슨한 역사적 의미에 기반하기도 한다. 따라서 '물질'이라는 단어에 대해 모든 과학 분야에서 보편적으로 합의된 단일한 의미는 아직 없다. 과학적으로 '질량'이라는 용어는 명확하게 정의되어 있지만, '물질'은 여러 방식으로 정의될 수 있는 것이다. 때때로 물리학 분야에서는 '물질'을 쿼크나 렙톤과 같이 정지 질량을 가지는 입자(즉, 빛의 속도로 이동할 수 없는 입자)와 동일하게 취급하기도 한다. 그러나 물리학과 화학 모두에서 물질은 파동과 입자의 특성을 동시에 나타내는 파동-입자 이중성을 보인다.^[10]^[11]^[12]

2. 2. 국제도량형사무국

국제도량형총회 산하의 국제도량형사무국(BIPM)은 물질을 "존재의 총합"(quantitas substantiae^la)으로 정의한다.^[130] 국제도량형사무국에 따르면, "존재의 총합"은 특정 표본이 그와 동일한 모든 표본에 대해 수량적으로 비례하는 요소들로 이루어진 경우를 의미한다. 이 존재의 총합의 단위는 몰(기호: mol)이며, 다음과 같이 정의된다.

:* 탄소-12 원자 0.012kg (즉, 12g)에 포함된 원자 수와 동일한 수의 구성요소(원자, 분자, 이온, 전자 등 입자 또는 입자 집단)를 포함하는 계의 물질량을 1몰로 정의한다.

이는 구체적으로 다음과 같이 설명될 수 있다.

1. 탄소-12 원자 1몰에 포함된 원자 수와 같은 수의 구성요소를 갖는 존재의 총합을 1몰이라 한다.
2. 몰 단위로 양을 나타낼 수 있는 존재는 원자, 분자, 이온, 전자, 그 외 다른 입자 또는 이러한 입자들의 특정한 묶음을 포함한다.

2. 3. 원자와 분자

물리학이나 화학에서는 물질을 원자나 분자의 집합체로서 정의하기도 한다.^[13] 이는 국제도량형국의 정의와 일부 유사하지만, 몰 단위를 반드시 고려하지 않는다는 점에서 차이가 있다. 예를 들어, DNA는 원자와 분자로 이루어진 물질이지만, DNA를 다룰 때는 몰 단위보다는 형질 전달과 관련된 염기서열 등이 더 중요하게 여겨진다.

그러나 원자와 분자만으로 물질을 설명하는 데에는 한계가 있다. 원자보다 작은 입자인 전자, 양성자, 중성자나 이를 이루는 기본입자를 다루거나, 플라스마나 전해질과 같은 이온 상태의 물질을 설명하기 어렵기 때문이다.

이에 따라 물질을 '원자로 구성된 것'으로 정의하기도 하는데,^[13] 이를 '보통 물질'이라고 부르기도 한다. 이 정의는 DNA와 같은 분자뿐만 아니라, 전하를 띤 원자와 분자를 포함하도록 확장하여 플라스마(이온 가스)나 전해질(이온 용액)까지 포괄할 수 있다. 또는 '양성자, 중성자, 전자로 구성된 것'이라는 정의를 사용할 수도 있다.

더 나아가, 물질을 '원자와 분자를 구성하는 요소들로 이루어진 것'으로 정의할 수도 있다.^[14] 즉, 양전하를 띤 양성자, 전하가 없는 중성자, 음전하를 띤 전자로 구성된 모든 것을 물질로 보는 것이다. 이 정의는 원자나 분자 형태가 아닌 물질, 예를 들어 음극선관의 전자빔이나 백색왜성 내부의 물질(주로 탄소와 산소 원자핵과 축퇴된 전자의 바다)까지 포함한다. 미시적인 수준에서 보면, 양성자, 중성자, 전자와 같은 물질 구성 입자들은 양자역학의 법칙을 따르며 파동-입자 이중성을 보인다. 더 근본적인 수준에서는 양성자와 중성자가 쿼크와 이들을 결합시키는 글루온으로 이루어져 있다는 사실에 기반하여 물질을 정의하기도 한다.

2. 4. 입자

표준 모형의 기본입자. 보라색은 쿼크, 녹색은 경입자(렙톤), 적색은 보손을 나타낸다.

물질을 입자 수준에서 정의하는 방식은 여러 가지가 있다. 가장 기본적인 정의는 "물질은 원자로 구성되어 있다"는 것이다.^[13] 이렇게 원자로 이루어진 물질을 '보통 물질'이라고 부르기도 하며, 예를 들어 데옥시리보핵산(DNA) 분자는 이 정의에 따른 물질이다. 이 정의는 플라즈마나 전해질처럼 전하를 띤 원자나 분자까지 포함하도록 확장될 수 있다.^[13]

더 세밀하게는 "물질은 원자와 분자를 구성하는 입자들, 즉 양성자, 중성자, 전자로 이루어져 있다"고 정의할 수 있다.^[14]^[131] 이 정의는 원자나 분자 형태가 아닌, 이들 구성 입자로 이루어진 상태까지 포괄한다. 예를 들어 음극선관 텔레비전의 전자빔이나 백색 왜성 내부의 축퇴된 전자 바다와 같은 경우가 해당한다.^[14]

하지만 양성자, 중성자, 전자 역시 물질의 가장 기본적인 단위는 아니다.^[131] 이 입자들은 더 작은 단위인 쿼크와 경입자(렙톤)으로 나뉠 수 있으며, 이들은 모두 페르미온에 속한다. 물리학의 표준 모형에서는 바로 이 페르미온을 물질을 구성하는 최소 단위로 본다. 반면, 또 다른 종류의 기본 입자인 보손은 물질을 직접 구성하지 않고 입자 사이에 힘을 매개하거나 에너지를 전달하는 역할을 한다.^[132]^[133]

결국 입자를 기준으로 한 정의에 따르면, 원자는 경입자의 일종인 전자와, 쿼크로 이루어진 바리온(양성자, 중성자)으로 구성된다. 이렇게 만들어진 원자들이 모여 분자를 이루므로, 원자와 분자를 물질의 기본 단위로 볼 수도 있다. 이 관점은 이온과 같이 원자가 변형된 상태에도 적용될 수 있다.

원자가 더 작은 입자로 쪼개질 수 있다는 사실이 밝혀진 이후, 입자물리학 분야에서는 더 근본적인 입자를 찾기 위한 연구가 계속되어 왔다.^[134] 연구 결과, 여러 종류의 쿼크와 렙톤이 발견되었으며, 이들은 발견 시기에 따라 세대별로 분류된다.^[135]

여기서 '세대'는 발견 시기가 비슷한 입자들을 편의상 구분한 것이다.^[135]

미시 세계에서 양성자, 중성자, 전자와 같은 물질 구성 입자들은 양자 역학의 법칙을 따르며, 파동-입자 이중성과 같은 독특한 성질을 보인다. 더 깊은 수준으로 들어가면, 양성자와 중성자 자체도 쿼크와 이들을 강력하게 묶어주는 글루온이라는 입자로 구성되어 있음이 밝혀졌다.^[14]

3. 물질의 분류

물질은 환경에 따라 여러 가지 상을 갖는다.^[136] 물질의 상은 온도, 압력, 부피에 따라 변화하며,^[137] 상이 변화하면 관련된 밀도, 비열용량, 굴절률과 같은 물리 화학적 특성 역시 변화한다. 물질의 상으로는 고체, 액체, 기체가 널리 알려져 있으며, 이 외에도 플라스마, 초유체, 초고체, 보스-아인슈타인 응축과 같은 상이 존재한다.

'''물질의 상평형'''
가로축: 온도 / 세로축: 압력
고체(Solid), 액체(Liquid), 기체(Gas) 상태와 삼중점(triple point), 임계점(Critical point)을 보여준다. 대부분의 물질은 저온 고압에서 고체가 되며 고유의 삼중점을 갖는다. 임계점 이상의 영역에서는 초임계 유체가 된다.

이러한 물질의 상은 특성에 따라 분류할 수도 있다. 액체, 기체, 플라스마와 같이 흐르는 성질을 갖는 상을 유체라 하며, 상자성이나 강자성을 보이는 상을 자성체라 한다. 예를 들어 플라스마는 유체의 특성과 상자성의 특성을 모두 갖는다.

열역학에서는 물질의 상을 물질의 상태로 파악하기도 한다. 예를 들어, 서로 다른 두 종류의 물질이 특정 온도와 압력 조건에서 고체가 되었을 때, 각 물질이 처한 온도와 압력이 다르더라도 두 물질 모두 '고체' 상태에 있다고 본다.

3. 1. 고체

고체는 일정한 모양을 가지고 있어 힘이나 압력의 변화에도 모양이나 부피가 잘 변하지 않고 자체 구조를 유지하는 물질의 상태이다. 고체는 액체, 기체와 함께 물질의 가장 기본적인 세 가지 상 중 하나이다.

고체 상태에서는 분자나 원자 사이의 간격이 매우 가깝고 규칙적으로 배열되어 있어 일정한 모양과 부피를 유지한다. 암석이나 금속처럼 강도가 강한 것부터 종이처럼 유연한 것, 유리처럼 결정 구조가 없는 것까지 다양한 종류가 있다. 대표적인 예로는 얼음이 있다.

일반적으로 물질은 온도가 낮고 압력이 높을 때 고체 상태가 된다.

3. 2. 액체

액체는 점성을 갖는 유체이다. 일정한 부피를 갖고 있으나 담는 용기에 따라 모양이 변하며, 스스로 형태를 유지하지는 못한다. 대표적인 예로는 물이 있다.

분자 수준에서 보면, 액체는 고체보다 분자 사이의 간격이 넓다. 또한, 고체에 비해 분자가 비교적 자유롭게 운동할 수 있기 때문에 흐르는 성질을 가지며 담는 용기에 따라 모양이 달라진다. 하지만 분자 간의 인력이 여전히 작용하여 기체처럼 무한정 퍼져나가지는 않으므로 일정한 부피는 유지한다.

액체는 고체, 기체와 함께 물질의 주요한 상 중 하나로 꼽힌다.

3. 3. 기체

일정한 응집력이 없는 유체이다. 응집력이 없기 때문에 모양과 부피가 일정하지 않으며, 담는 용기에 따라 형태가 달라진다. 수증기가 대표적인 예이다. 기체 상태에서는 분자 사이의 간격이 매우 넓고 불규칙하게 배열되어 있다. 이는 고체, 액체와 함께 물질의 주요한 세 가지 상 중 하나로 꼽힌다.

3. 4. 보스-아인슈타인 응축

보스-아인슈타인 응축은 보스가 이론적 토대를 마련하고 아인슈타인이 이를 보완하여 예견한 물질의 상이다. 보손 입자들이 절대 영도에 매우 가까운 온도로 냉각될 때 응축하여 나타나는 현상이다.

실험실에서의 증명은 1995년 6월 5일 항공물리 공동연구소(JILA)에서 코넬, 와이먼과 동료 연구자들에 의해 처음 이루어졌다. 그들은 약 2,000개의 루비듐-87 원자가 포함된 기체를 레이저 냉각(1997년 노벨 물리학상 수상 기술)과 자기 증발 냉각 기술을 이용하여 170nK까지 냉각시켜 보스-아인슈타인 응축을 관찰하는 데 성공하였다.^[138]

이로부터 넉 달 후, MIT의 볼프강 케테를레는 독립적인 연구를 통해 나트륨-23 원자를 냉각시켜 보스-아인슈타인 응축을 만드는 데 성공했다. 케텔레의 연구는 코넬과 와이먼의 실험보다 100배 더 많은 원자를 사용하여 두 개의 다른 응축 사이에 양자 간섭이 일어나는 것을 관찰하는 등 중요한 성과를 얻었다. 코넬, 와이먼, 케테를레는 이러한 업적을 인정받아 2001년 노벨 물리학상을 공동 수상하였다.

3. 5. 페르미온 응축

페르미온 응축은 여러 면에서 보스-아인슈타인 응축과 비슷한 물질의 상이다. 그러나 보스-아인슈타인 응축이 보손을 대상으로 하는 것과 달리, 페르미온 응축은 페르미온이 극저온 상태에 도달했을 때 나타나는 현상이다. 초전도 현상과 관련된 전자의 상태를 설명하는 과정에서 페르미온 응축의 존재가 예측되었다. 2003년 데보라 S 진 연구팀이 실험을 통해 페르미온 응축 상태를 최초로 구현하는 데 성공했다.^[139] 이 실험에서 페르미온 응축 상태를 만들기 위해 도달한 온도는 50 나노켈빈(nK)에서 350 나노켈빈(nK) 사이였다.^[140]

3. 6. 중성자별의 핵

중성자별은 자체 밀도로 인해 매우 강한 내부 압력을 갖는다. 이 때문에 중성자별의 핵은 기존의 물질의 상과는 다른 상을 띨 것으로 추정된다. 찬드라세카르 한계에 근접한 백색왜성은 태양 질량의 약 1.4배에 달하는 질량을 갖는다. 이보다 더 큰 질량을 갖게 되면 백색왜성은 붕괴하여 중성자별이나 블랙홀, 또는 쿼크별이 된다.

이러한 초고압 환경에서는 파울리 배타 원리에 따라 붕괴된 입자들이 축퇴 물질을 형성할 수 있다.^[29]^[30] 축퇴 물질은 절대 영도에 가까운 온도에서 페르미온 기체의 바닥 상태를 의미하며,^[38] 파울리 배타 원리에 따라 하나의 양자 상태에는 스핀 업과 스핀 다운 상태의 페르미온 각 하나씩, 총 두 개의 페르미온만 존재할 수 있다. 이로 인해 극도로 높은 압력이 발생하며, 이는 일반적인 물질 상태와 달리 온도보다는 입자의 수에 더 크게 의존한다. 축퇴 물질은 백색왜성과 중성자별 등 무거운 별의 진화 과정에서 중요한 역할을 한다.^[39]^[40]

특히 태양 질량의 1.5배에서 3배 정도의 질량을 갖는 중성자별의 경우, 내부의 엄청난 압력으로 인해 양성자와 전자가 충돌하여 중성자로 변하는 현상이 발생한다. 중성자 역시 페르미온이므로 파울리 배타 원리가 적용되어 축퇴 상태에 이르게 되는데, 이렇게 형성된 물질의 상을 중성자 축퇴 물질이라고 한다.^[143]^[144]

3. 7. 쿼크-글루온 플라스마

글루온과 하드론이 플라스마 형태로 존재할 수 있다는 이론에 의해 예견된 가상의 물질 상이다. 아직 확인되지는 않았다.^[145]

4. 기본 입자의 구조

일반적으로 양성자, 중성자, 전자가 원자를 이루는 물질의 기본 요소로 알려져 있다.^[131] 하지만 이 입자들 역시 물질의 가장 작은 기본 단위는 아니다. 현대 입자물리학의 표준 모형에 따르면, 물질을 구성하는 가장 기본적인 입자는 페르미온이다. 양성자와 중성자 같은 입자들은 더 작은 단위인 쿼크로 이루어져 있으며, 전자는 그 자체로 렙톤이라는 종류의 페르미온에 속한다. 즉, 페르미온은 크게 쿼크와 렙톤 두 그룹으로 나뉜다.^[132]^[133] 이들은 페르미-디랙 통계를 따르는 입자들이다.

이에 따라 원자는 렙톤의 일종인 전자와, 쿼크로 이루어진 바리온(양성자, 중성자)으로 구성된다고 설명할 수 있다. 이렇게 구성된 원자들이 모여 분자를 형성한다.

한편, 표준 모형의 또 다른 기본 입자인 보손은 물질을 직접 구성하지 않고, 입자들 사이에 작용하는 힘(에너지)을 매개하는 역할을 한다.^[132]^[133]

4. 1. 쿼크

쿼크는 바리온과 메존을 이루는 기본입자이다.^[14] 입자 물리학의 표준 모형에 따르면, 페르미온은 쿼크와 렙톤 두 가지 유형으로 나뉜다. 쿼크는 페르미-디랙 통계를 따르는 페르미온이며, 스핀 1/2 값을 가진다.

쿼크는 +2/3 ''e''(업형 쿼크) 또는 -1/3 ''e''(다운형 쿼크)의 전하를 가진다. 비교를 위해 전자는 -1 ''e''의 전하를 가진다. 또한 쿼크는 색전하를 가지고 있어 강력 상호작용의 영향을 받으며, 방사성 붕괴를 겪기 때문에 약력의 영향도 받는다.

쿼크에는 총 6가지 종류(맛)가 있으며, 그 속성은 아래 표와 같다.

쿼크의 성질^[33]
이름	기호	스핀	전하 (e)	질량 (MeV/c²)	질량 비교	반입자
업형 쿼크
위(Up)	u	1/2	+2/3	1.5 ~ 3.3	~ 5 전자	반 위 쿼크 (Antiup)
맵시(Charm)	c	1/2	+2/3	1160 ~ 1340	~ 1 양성자	반 맵시 쿼크 (Anticharm)
꼭대기(Top)	t	1/2	+2/3	169,100 ~ 173,300	~ 180 양성자 또는 ~1 텅스텐 원자	반 꼭대기 쿼크 (Antitop)
다운형 쿼크
아래(Down)	d	1/2	−1/3	3.5 ~ 6.0	~10 전자	반 아래 쿼크 (Antidown)
기묘(Strange)	s	1/2	−1/3	70 ~ 130	~ 200 전자	반 기묘 쿼크 (Antistrange)
바닥(Bottom)	b	1/2	−1/3	4130 ~ 4370	~ 5 양성자	반 바닥 쿼크 (Antibottom)

4. 1. 1. 바리온

바리온은 강한 상호작용을 하는 양성자, 중성자 등을 통틀어 부르는 이름이다. 세 개의 쿼크로 이루어져 있다.

바리온은 강하게 상호작용하는 페르미온이며, 따라서 페르미-디랙 통계를 따른다. 원자핵에 존재하는 양성자와 중성자가 대표적인 바리온이지만, 이 외에도 많은 불안정한 바리온들이 존재한다. 일반적으로 바리온이라는 용어는 세 개의 쿼크로 구성된 입자인 삼중 쿼크를 지칭한다. 또한, 4개의 쿼크와 1개의 반쿼크로 구성된 "이국적인" 바리온인 펜타쿼크도 이론적으로 제기되었으나, 그 존재는 아직 학계에서 널리 받아들여지지 않고 있다.

우주를 구성하는 물질 중 바리온으로 이루어진 부분을 바리온 물질이라고 한다. 여기에는 모든 원자가 포함된다. 하지만 암흑 에너지, 암흑 물질, 블랙홀 또는 백색 왜성이나 중성자별을 구성하는 축퇴 물질 등은 바리온 물질에 포함되지 않는다. 윌킨슨 마이크로파 비등방 탐사선(WMAP)의 관측 결과에 따르면, 우리 우주의 전체 질량-에너지 중 약 4.6%만이 바리온 물질로 이루어져 있다. 나머지 약 26.8%는 암흑 물질, 약 68.3%는 암흑 에너지로 추정된다.^[34]

우주에 존재하는 대부분의 바리온 물질은 직접 관측하기 어렵다. 은하나 은하단 내에서 관측되는 별이나 가스와 같은 가시적인 바리온 물질은, 우주 전체 바리온 물질 기여도의 10% 미만을 차지할 뿐이다.^[35]

4. 1. 2. 축퇴 물질

입자물리학에서 축퇴물질은 페르미온 기체가 절대 영도에 가까워질 때 나타나는 바닥 상태를 의미한다.^[146]^[38] 파울리 배타 원리에 따르면, 하나의 양자 상태에는 서로 다른 스핀(업 또는 다운)을 가진 두 개의 페르미온만이 존재할 수 있다.^[146]^[38] 따라서 절대 영도에서는 페르미온은 가능한 가장 낮은 에너지 상태부터 차례로 채워진다.^[146]^[38]

페르미온이 매우 높은 밀도로 존재하면, 낮은 에너지 상태가 모두 채워지고 높은 에너지 상태까지 채워지게 되는데, 이때 가장 높은 에너지 상태의 에너지 값을 페르미 에너지라고 한다.^[146]^[38] 이 상태에서 물질은 일반적인 기체와 달리 온도가 아닌 입자의 밀도에 의해 결정되는 매우 큰 압력(축퇴압)을 나타낸다.^[38]

축퇴 물질은 우주에서 매우 밀도가 높은 천체에서 발견될 것으로 생각된다.^[147]^[39] 대표적인 예로는 백색왜성과 중성자별이 있다.^[147] 백색왜성의 경우, 주로 탄소와 산소 원자핵이 축퇴된 전자 바다에 잠겨 있는 형태로 존재한다.^[14] 무거운 별은 항성의 진화 마지막 단계에서 핵융합 연료를 소진하고 자체 중력으로 강하게 수축하여 밀도가 극도로 높아지면서 축퇴 상태에 이른다.^[148]^[39] 특히 수브라마니안 찬드라세카르는 파울리 배타 원리에 따른 전자의 축퇴압이 별의 중력을 지탱할 수 있는 질량에 한계(찬드라세카르 한계)가 있음을 증명하여, 백색왜성의 최대 질량을 예측하고 항성 진화 연구에 중요한 기여를 했다.^[40]

4. 1. 3. 이상한 물질

이상한 물질은 쿼크 물질의 특이 상태로, 위 쿼크, 아래 쿼크, 기묘 쿼크^[149]가 액체의 상을 이루고 있는 것을 말한다. 이는 중성자와 양성자(업 쿼크와 다운 쿼크로 구성됨)로 이루어진 핵 물질이나, 기묘 쿼크 없이 업 쿼크와 다운 쿼크만으로 이루어진 쿼크 액체와는 구별된다.

충분히 높은 밀도에서는 이상한 물질이 색 초전도체가 될 것으로 예상된다. 이상한 물질은 중성자별의 핵 부분에 존재할 것으로 추정되며^[150], 더 나아가 펨토미터 크기의 작은 방울(스트레인지릿) 형태나 킬로미터 크기의 쿼크별 형태로 독립적으로 존재할 가능성도 제기된다.

4. 2. 렙톤

렙톤은 스핀 1/2인 페르미온으로, 강력 상호작용의 영향을 받지 않는 기본입자이다.^[151] 렙톤은 전하를 띠는 하전 렙톤(-1 ''e'')과 전하를 띠지 않는 중성미자(0 ''e'')로 나뉜다. 렙톤은 쿼크와 달리 색전하를 가지지 않아 강력 상호작용을 겪지 않지만, 방사성 붕괴와 같은 약력의 영향을 받으며, 질량을 가지고 있어 중력의 영향도 받는다.

렙톤의 종류와 주요 속성은 다음과 같다.

렙톤의 속성
이름	기호	스핀	전하 (e)	질량 (MeV/c²)	반입자	반입자 기호
하전 렙톤^[43]
전자	e⁻	1/2	−1	0.5110	양전자 (반전자)	e⁺
뮤온	μ⁻	1/2	−1	105.7	반뮤온	μ⁺
타우	τ⁻	1/2	−1	1,777	반타우	τ⁺
중성미자^[44]
전자 중성미자	ν_e	1/2	0	< 0.000460	전자 반중성미자	$\overline{\nu}_e$
뮤온 중성미자	ν_μ	1/2	0	< 0.19	뮤온 반중성미자	$\overline{\nu}_\mu$
타우 중성미자	ν_τ	1/2	0	< 18.2	타우 반중성미자	$\overline{\nu}_\tau$

5. 반물질

반물질은 반입자의 개념을 물질로 확대시킨 것이다. 물질이 입자로 이루어져 있듯이 반물질은 반입자로 구성되어 있다. 보통의 물질을 구성하는 소립자(양성자, 중성자, 전자 등)의 반입자(반양성자, 반중성자, 양전자 등)로 구성되는 물질을 의미한다. 반물질 입자는 음의 바리온 수 또는 렙톤 수를 가지는 것으로 정의할 수 있으며, 반대로 "정상" (반물질이 아닌) 물질 입자는 양의 바리온 수 또는 렙톤 수를 갖는다.^[48] 이 두 종류의 입자는 서로의 반입자 파트너이다. 디랙 방정식에 따르면, 물질을 구성하는 모든 스핀 각운동량 1/2의 입자와 짝을 이루는 반입자가 존재한다.

입자와 그 반입자가 만나면 상호작용하여 쌍소멸이 일어나고 막대한 양의 에너지가 발생한다. 즉, 두 입자는 알베르트 아인슈타인의 식 ''E'' = ''mc''²에 따라 동일한 에너지를 가진 다른 입자(감마선이나 중성미자, 또는 다른 입자-반입자 쌍)로 변환될 수 있다. 생성된 입자는 소멸 생성물의 정지 질량과 원래 입자-반입자 쌍의 정지 질량의 차이와 동일한 양의 운동 에너지를 가지며, 이는 종종 매우 크다. 이러한 특성 때문에 물질과 반물질이 서로 접촉하면 즉시 소멸하므로 반물질의 존재를 확인하기 어렵다. 실제로 확인된 반물질로는 반중성자, 반양성자, 반중양성자 등이 있다.

반물질은 아주 짧은 시간 동안, 그리고 극히 적은 양(방사성 붕괴, 번개 또는 우주선의 결과로)을 제외하고는 지구상에서 자연적으로 발견되지 않는다. 이는 지구상에 존재하는 반물질이 적절한 물리학 실험실의 경계 외부에서 생겨났을 경우, 지구를 구성하는 일반 물질과 거의 즉시 만나 소멸되기 때문이다. 반입자와 일부 안정적인 반물질(예: 반수소)은 미량으로 만들어질 수 있지만, 이론적 특성 몇 가지를 시험하는 것 이상을 할 수 있을 만큼 충분한 양은 아니다.

관측 가능한 우주가 겉보기에 거의 전적으로 물질(쿼크와 렙톤의 의미에서, 반쿼크나 반렙톤이 아님)로 구성되어 있다는 점은 물리학의 미해결 문제 중 하나이다. 초기 빅뱅 우주에서는 물질과 반물질이 동등하게 존재했을 것으로 생각되는데, 현재 물질이 반물질보다 압도적으로 많은 이유, 즉 바리온 불균형은 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 이러한 불균형에는 CP (전하-패리티) 대칭 위반이라는 물리 법칙의 비대칭성이 관여하는 것으로 여겨진다. 약한 상호작용에서는 쿼크의 질량 고유상태와 맛 고유상태가 일치하지 않는 3개 이상의 쿼크가 있다면 지금까지 관측된 CP 위반을 설명할 수 있다. 이를 예견한 고바야시 마코토와 마스카와 도시히데는 2008년 노벨 물리학상을 받게 되었다.^[152] 표준 모형은 CP 위반을 일부 설명하지만,^[47] 현재 관측되는 우주의 물질-반물질 비대칭을 완전히 설명하기에는 부족하다는 지적이 있다. 이러한 비대칭이 발생한 가능한 과정은 바리온 생성에서 자세히 설명한다. 다른 곳이 거의 전적으로 반물질(반쿼크와 반렙톤)로 구성되어 있는지에 대해 과학과 과학 소설 모두에서 상당한 추측이 있다.

2017년 10월, 과학자들은 빅뱅에서 동일하게 생성된 물질과 반물질이 서로 완전히 소멸했다면 현재의 우주가 존재하지 않아야 한다는 추가 증거를 발표했다.^[49] 이는 아직 알려지지 않은 어떤 과정이 초기 우주에서 물질과 반물질의 완전한 상호 파괴를 막았거나, 두 형태 사이의 불균형을 초래했음을 시사한다.

6. 기타

''''(내용 없음)''''

6. 1. 암흑 물질

천문학에서 '''암흑 물질'''은 빛을 포함한 전자기 복사를 방출하거나 반사하지 않아 직접 관측할 수는 없지만, 보이는 물질에 미치는 중력 효과를 통해 그 존재를 추론할 수 있는 가상의 물질이다.^[59]^[60] 천체물리학과 우주론의 중요한 연구 주제이다.

관측 가능한 우주의 전체 질량-에너지 중 약 23%는 암흑 물질이 차지하는 것으로 추정된다.^[153] 이는 쿼크와 렙톤으로 이루어진 일반적인 물질(중입자 물질)이 차지하는 약 4%(별, 가스 등 발광 물질 0.4%, 비발광 물질 3.6% 포함^[51])보다 훨씬 많은 양이다. 나머지 약 73%는 우주 팽창을 가속시키는 원인으로 여겨지는 암흑 에너지가 차지하는 것으로 생각된다.^[52]^[53]^[54]^[55] 물리학자 리 스몰린이 지적했듯이, 우리가 실험적으로 관찰하거나 표준 모형으로 설명할 수 있는 물질은 우주 전체의 4%에 불과하며, 나머지 96%는 암흑 물질과 암흑 에너지라는 미지의 요소로 구성되어 있는 셈이다.^[51]

암흑 물질의 존재를 강력하게 뒷받침하는 증거 중 하나는 은하 회전 곡선 문제이다. 은하 외곽을 도는 별들의 속도는 은하 중심부의 관측 가능한 질량만으로는 설명할 수 없을 정도로 빠르며, 이는 눈에 보이지 않는 막대한 질량, 즉 암흑 물질이 은하를 감싸고 있기 때문으로 해석된다.

암흑 물질의 정확한 정체는 아직 밝혀지지 않았다. 초기 우주와 빅뱅 이론에 대한 관측 증거에 따르면, 암흑 물질은 에너지와 질량을 가지지만 일반적인 중입자(양성자와 중성자)로 구성되지는 않은 것으로 보인다. 현재 가장 유력한 설명은 암흑 물질의 대부분이 비중입자라는 것이다.^[59] 이는 아직 실험실에서 발견되지 않은 새로운 종류의 입자로 이루어져 있음을 의미한다. 유력한 후보로는 액시온^[154]이나 초대칭 입자^[61] 등이 거론된다. 이러한 입자들은 표준 모형에 포함되지 않으며, 우주가 탄생한 직후의 매우 높은 에너지 상태에서 생성되어 현재까지 우주에 남아 있는 잔재일 수 있다.^[59]

6. 2. 물질과 질량의 관계

현대 물리학에서 물질과 질량은 동일한 개념이 아니므로 혼동해서는 안 된다.^[9] 물질은 모든 '물리적 실체'를 설명하는 일반적인 용어인 반면, 질량은 물질이나 다른 실체, 혹은 시스템의 확장적인 특성이지 그 자체는 아니다. 물리학 내에서는 정지 질량, 관성 질량, 상대론적 질량, 질량-에너지 등 다양한 종류의 질량이 정의되어 있다.

물질과 질량의 또 다른 중요한 차이점은 물질에는 반물질이라는 "반대"가 존재하지만, 질량에는 그러한 반대가 없다는 점이다. "반질량"이나 음의 질량과 같은 개념은 아직 발견되지 않았으며, 과학자들은 이에 대해 논의하는 단계에 있다. 반물질은 일반 물질과 동일하게 양(+)의 질량 특성을 가진다.

다양한 과학 분야에서는 '물질'이라는 용어를 서로 다른, 때로는 상반되는 방식으로 사용한다. 이러한 용법 중 일부는 과거 질량을 단순히 물질의 양과 구별할 필요가 없었던 시대의 관습적인 의미에 기반한다. 따라서 '물질'이라는 단어에 대해 과학적으로 보편 합의된 단일 정의는 없다. 반면 '질량'이라는 용어는 과학적으로 잘 정의되어 있지만, '물질'은 여러 방식으로 정의될 수 있다. 때로는 물리학 분야에서 '물질'을 쿼크나 렙톤처럼 정지 질량을 가지는 입자(즉, 빛의 속도로 이동할 수 없는 입자)와 동일하게 취급하기도 한다. 그러나 물리학과 화학 모두에서 물질은 파동과 입자의 특성을 동시에 나타내는 파동-입자 이중성을 보인다.^[10]^[11]^[12]

상대성 이론의 관점에서 보면, 질량은 단순 덧셈이 가능한 양이 아니다. 즉, 어떤 시스템을 구성하는 입자들의 정지 질량을 모두 더한다고 해서 그 시스템 전체의 정지 질량을 얻을 수는 없다.^[1] 상대성 이론에서는 물질의 양을 정량화하기 위해 응력-에너지 텐서라는 더 일반적인 개념을 사용하며, 이 텐서는 전체 시스템의 정지 질량을 나타낸다. 따라서 일반 상대성 이론이나 우주론과 같은 분야에서는 시스템의 에너지-운동량에 기여하는 모든 것, 즉 순수한 중력이 아닌 모든 것을 물질로 간주하기도 한다.^[31]^[32] 이러한 관점에서는 빛이나 다른 질량이 없는 입자 및 장들도 모두 물질의 일부로 포함될 수 있다.

물질에 대한 현대적 개념은 기본적인 구성 요소가 무엇이며 어떻게 상호 작용하는지에 대한 이해가 깊어짐에 따라 역사적으로 여러 차례 정교화되어 왔다.

7. 철학 및 역사 속의 물질

메소포타미아에서는 기원전 3000년 무렵 이미 액체의 증류나 광석의 승화를 위한 장치가 사용되었다.^[102] 이후 동지중해 지역에서는 합금, 유리, 향료 제조 기술이 퍼져나갔다.^[102] 당시 사람들은 물질의 변화 과정을 자연신이나 반신들의 이야기, 즉 신화를 통해 설명하기도 했다.^[102] 바빌로니아에는 "일곱 개의 주 천체", "일곱 개의 금속" 등 복잡한 이론 체계가 있었으나, 현대의 "물질" 개념과는 차이가 있었고 다른 요소들과 혼합되어 이해되었다.^[102]

고대 인도에서는 불교 철학, 힌두 철학, 자이나교 철학 등 다양한 전통에서 원자론이 발전했다. 이들은 물질이 "영원하고 파괴 불가능하며 부분이 없는 무수히 많은" 원자(''paramanu'', ''pudgala'')로 이루어져 있다고 보았으며, 이 원자들이 자연 법칙에 따라 결합하고 분리되어 복잡한 물질을 형성한다고 생각했다.^[6] 특히 냐야-바이셰시카 학파는 카나다의 사상을 중심으로 원자론을 강력하게 발전시켰다.^[6]^[7] 불교 철학자들도 비슷한 시기에 원자론을 발전시켰으나, 영혼이나 의식을 포함하지는 않았다.^[6] 자이나교 철학자들은 원자에 맛, 냄새, 촉감, 색상 등의 특성을 부여하고, 원자가 습하거나 건조한 성질을 가져 물질을 굳게 만든다고 보았다. 또한, 반대 성질의 원자들이 서로 끌어당겨 결합하며, 영혼(''jiva'')이 이 원자들에 부착되어 업의 형태로 윤회를 통해 다음 생으로 이어진다고 설명했다.^[6]^[64]

고대 그리스의 소크라테스 이전 철학자들은 세계의 근본 물질, 즉 ἀρχή|아르케^grc(아르케)에 대해 탐구했다. 탈레스는 물을, 아낙시메네스는 공기(프네우마)를, 헤라클레이토스는 불을 근본 물질로 보았다.^[102] 아낙시만드로스는 특정되지 않은 무한한 것, 즉 아페이론을 근본 물질로 가정했다. 엠페도클레스는 흙, 물, 공기, 불의 네 가지 고전 원소가 만물의 근원이라고 주장했다.^[65] 반면 파르메니데스는 변화 자체를 부정했고, 데모크리토스는 만물이 더 이상 쪼갤 수 없는 작은 입자인 원자로 이루어져 있다는 원자론을 제시했다.^[66]^[102] 기원전 400년부터 기원전 300년경에 걸쳐 제시된 이러한 경쟁적인 이론들은 이후 시대의 철학 및 학문의 대략적인 윤곽을 보여주었으며, 물질에 관한 지식이 발전하는 과정에서 반복적으로 나타나 큰 영향을 미치게 되었다.^[102]

플라톤은 영원불변하는 이데아를 참된 실재로 보았고, 물질 세계는 끊임없이 생성되고 소멸하는 불완전한 그림자라고 생각했다. (『티마이오스』 27e-28a)^[102] 그는 물질을 이데아와 대비시켜 특수하고, 상대적이며, 시간적이고, 불완전한 것으로 묘사했다.^[102] 이러한 관점에도 불구하고 플라톤은 『티마이오스』(53c-58c)에서 물질의 기하학적 구조에 대한 가설을 제시했다. 그는 엠페도클레스의 사원소를 테아이테토스가 발견한 다섯 개의 정다면체와 연결지었다. 정사면체는 불, 정팔면체는 공기, 정이십면체는 물, 정육면체는 흙에 해당한다고 보았다.^[102] 그는 기본적인 삼각형들을 조합하여 이 입체들이 서로 변환될 수 있다고 설명하며, 물질의 질서를 기하학적으로 설명하려는 획기적인 시도를 했다.^[102] 또한 플라톤은 감각 세계의 다양성을 설명하기 위해 이데아와 대비되는 《비존재》라는 개념을 도입했다.(『소피스테스』 241e)^[102]

아리스토텔레스는 질료형상론을 통해 물질 개념을 철학적으로 정립하고자 했다. 그는 엠페도클레스의 4원소설을 받아들이면서 천상의 원소인 에테르를 추가했다.^[67] 하지만 아리스토텔레스에게 원소는 근본적인 것이 아니었다. 모든 것은 근본 원리인 질료(ὕλη|힐레^grc)와 형상(εἶδος|에이도스^grc)으로 구성된다고 보았다. '힐레'는 원래 '나무'나 '목재'를 의미하는 단어로^[68], 무언가를 만드는 재료라는 뜻을 내포한다. 아리스토텔레스에게 질료는 형상을 받아들여 현실화될 수 있는 잠재태이며, 그 자체로는 독립적으로 존재할 수 없고 항상 형상과 결합하여 구체적인 실체를 이룬다. 이는 질료를 단순히 공간을 차지하는 것으로 본 후대 철학자들과 구분되는 지점이다.

르네 데카르트는 물질을 '길이, 너비, 깊이를 가진 연장(延長)'으로 정의하며 근대적인 물질 개념의 기초를 마련했다.^[69] 그는 물질의 본질적 속성을 연장으로 한정하고, 운동 외에는 다른 활동성이 없다고 보는 기계론적 관점을 제시했다.^[70] 데카르트는 생각하는 실체인 정신과 연장된 실체인 물질을 명확히 구분하는 심신 이원론을 주장했다.^[71] 이는 질료와 형상이 상호 의존적이라고 본 아리스토텔레스와 대조된다.^[72] 데카르트와 마찬가지로 홉스, 보일, 로크 등도 물질의 고유한 속성은 연장이며, 색깔이나 맛과 같은 2차적 속성은 인간의 지각에 의한 것이라고 보았다.^[74]

아이작 뉴턴은 데카르트의 기계론적 물질관을 계승하면서도, 물질의 보편적 속성으로 연장 외에 경도, 불가침성, 이동성, 관성 등을 제시했다.^[75] 그는 신이 물질을 단단하고 불가침한 입자로 창조했다고 생각했으며^[76], 질량과 같은 고유한 속성을 물질 개념에 추가했다. 또한 만유인력 개념을 통해 물체들이 멀리 떨어져서도 상호작용할 수 있음을 보여주며, 접촉을 통해서만 상호작용이 일어난다고 본 데카르트의 기계론을 넘어서는 계기를 마련했다.^[78] 뉴턴 자신은 중력을 물질의 본질적 속성으로 보지 않았지만, 이후 조지프 프리스틀리 등은 물질이 연장 외에도 인력과 같은 고유한 힘을 가진다고 주장하며 물질 개념을 더욱 발전시켰다.^[78]^[79]

19세기 이후 과학의 발전은 물질에 대한 이해를 크게 심화시켰다. 주기율표와 원자설이 확립되면서 원자가 물질의 기본 구성 단위로 여겨졌고, 원자들이 결합하여 분자와 화합물을 형성한다는 사실이 밝혀졌다.^[80] 19세기 말 전자의 발견, 20세기 초 원자핵의 발견과 입자물리학의 발전으로 물질은 전자, 양성자, 중성자로 구성된 원자로 이루어져 있다는 사실이 규명되었다.^[84] 더 나아가 양성자와 중성자도 쿼크라는 더 작은 입자로 구성되어 있으며, 전자와 함께 렙톤 계열에 속하는 기본 입자임이 밝혀졌다.^[88]

현대 물리학의 표준 모형에 따르면, 물질을 구성하는 기본 입자인 쿼크와 렙톤은 중력, 전자기력, 약력, 강력이라는 네 가지 기본 힘을 통해 상호작용한다.^[89] 이러한 상호작용은 광자나 W 및 Z 보존과 같은 힘 전달 입자의 교환을 통해 이루어진다.^[90] 힘 전달 입자 자체는 일반적으로 물질로 간주되지 않지만^[91], 이들이 가진 에너지나 질량은 물질 시스템의 총 질량에 기여한다.^[92]^[93] 물질 입자인 쿼크와 렙톤은 본래 질량이 없었으나, 빅뱅 이후 우주가 식으면서 힉스 장과의 상호작용을 통해 질량을 얻게 되었다는 것이 힉스 메커니즘의 설명이며, 이는 2012년 힉스 보손의 발견으로 뒷받침되었다.

물질 개념은 서양 철학사에서 고대 그리스에서 시작되어 오랫동안 논쟁의 대상이었다.^[101] 물질만이 실재한다고 보는 유물론과 정신이나 관념을 더 근본적인 것으로 보는 관념론이 대립해왔다. 라이프니츠나 보스코비치는 물질을 연장이 없는 에너지의 중심으로 보았고^[101], 버클리의 주관적 관념론이나 칸트의 철학에서는 물질 자체는 인간이 완전히 인식할 수 없는 물자체(Ding an sich)로 간주되기도 했다.^[101]^[105] 헤겔은 물질을 가능태에 불과한 것으로 보기도 했다.^[101] 물질과 대비되는 개념으로는 마음(정신, 의식), 정보, 에너지, 공간 등이 거론되지만, 이는 인간의 직관에 따른 구분이며 현대 과학의 관점과는 차이가 있을 수 있다.

현대 우주론에 따르면, 우리가 일상적으로 접하는 원자로 이루어진 보통 물질은 우주 전체 에너지의 약 5%에 불과하며, 나머지는 정체불명의 암흑 물질(약 25%)과 암흑 에너지(약 70%)로 구성되어 있다고 추정된다. (WMAP 등의 관측 결과)^[101] 이는 인간이 아는 물질이 우주의 극히 일부에 지나지 않음을 시사한다. 또한 중성자별이나 쿼크-글루온 플라즈마와 같이 극한 환경에서 존재하는 새로운 형태의 물질에 대한 연구도 진행 중이다.

물질은 종종 변화, 현상, 사건 등과 구분된다. 변화나 현상은 물질에 일어나는 일이지만, 그 자체는 물질이 아니다. 물질은 이러한 현상이 일어나는 바탕이나 대상이 된다. 이러한 구분은 일상 언어에서도 '물건(物)'과 '일(事)'의 구별처럼 나타난다. 물질 개념은 존재 개념과 밀접하게 연관되어 있으며, 물질을 중시하는 태도를 물질주의라고 부른다.

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