חומר

חומר הוא כל דבר בעל מסה התופס נפח במרחב.
בסביבתנו הקרובה מוצרים רבים - שולחנות, ספרים, עטים, חלונות - העשויים כולם מחומר. השולחנות עשויים עץ ופלסטיק, הספרים עשויים מנייר, החלונות עשויים מאלומיניום וזכוכית, גופם של בעלי החיים והצמחים מורכב ממים, משומנים, מחלבונים, מפחמימות וממינרלים. סלעים עשויים מחומרים שונים כמו: גיר, צור, בזלת וחול. אוויר הוא סוג של חומר, והוא מכיל חמצן, חנקן, אדי מים, פחמן דו-חמצני ועוד.
חומרים קיימים במגוון רב של תכונות: מצב צבירה, צבע, צפיפות, חוזק, קשיות, מוליכות חשמלית ועוד.
מעבר לכל התכונות הללו נמצא כי קיימים מאפיינים המשותפים לכל החומרים ביקום, וכי כל החומרים בנויים ממספר קטן של אבני יסוד (ראו גם מיון החלקיקים וכן חלקיק יסודי).
שאלת מבנה החומר, כלומר השאלה מהן אבני הבניין היסודיות של שפע החומרים הסובבים אותנו, העסיקה את האדם כבר מהעת העתיקה. כיום ידוע שהמבנה הבסיסי של החומר הוא המולקולה, שקובעת את תכונות החומר, אשר מורכבת מאטומים (שנקראים גם יסודות כימיים), ושהם בתורם מורכבים מחלקיקים קטנים יותר. שאלת המבנה הבסיסי ביותר של החומר עודנה פתוחה במדע.
החומר ביקום בו אנו חיים מורכב מאטומים (שלרוב מתחברים אחד לשני ליצירת מולקולות) ושני אלו אף יוצרים תערובות שונות.

מבנה החומר

כבר מהעת העתיקה, התעניינו פילוסופים בשאלת מבנה החומר, כלומר מהותו והרכבו הבסיסי.
אחת התאוריות הראשונות שבאו לענות על שאלה זו היא תאוריית ארבעת היסודות שנוצרה במאה ה-6 לפני הספירה ביוון העתיקה על ידי הפילוסוף אמפדוקלס. תאוריה זו גורסת כי כל החומר בעולם מורכב מארבעה יסודות: מים, אש, אוויר ואדמה. מרבית חכמי יוון הסכימו עם תאוריה זו, והיא הייתה מקובלת עד לימי הביניים.
תאוריה נוספת שנוצרה ביוון העתיקה היא זו של דמוקריטוס (עסקו בה גם לאוסיפוס ואפיקורוס), לפיה מורכבים החומרים בטבע מחלקיקים זעירים, שאותם כינה אטומים, להם זיזים ושקעים, המסוגלים להתחבר זה לזה (על-פי דמוקריטוס גם תכונות רוחניות היו מורכבות מאטומים).
בימי הביניים חקר החומרים נעשה תחת "מדע" האלכימיה, שהיה ערוב של מדע ואמונות טפלות. בבסיסה של האלכימיה עמדו מספר אמונות חסרות בסיס כמו קיומה של אבן החכמים שיכולה להפוך עופרת לזהב, וכמו קיומו של מעיין הנעורים או הגביע הקדוש שיכולים לרפא כל מחלה ולהביא חיי נצח. למרות זאת האלכימיה תרמה גם לביסוס השיטה המדעית וכבסיס לכימיה המודרנית.
בעת החדשה נזנחה תורת ארבעת היסודות, והתורה האטומית זכתה לחיזוק ולביסוס. אף על פי שאייזק ניוטון האמין במאה ה-17 כי חומר מורכב מחלקיקים, היה זה ג'ון דלטון שביסס בשנת 1802 את ההשערה שכל החומרים מורכבים מאטומים. הטבלה המחזורית הראשונה של דימיטרי מנדלייב בשנת 1869 עזרה לחזק את הרעיון, שהיה נפוץ במהלך המאה ה-19, לפיו החומר מורכב מאטומים, שלהם כמאה סוגים (יסודות).
"אטום" פירושו בלתי פריק, אך בסוף המאה ה-19 ובתחילת המאה ה-20 החל פיתוחן של תאוריות העוסקות במרכיבי האטום. בשנת 1897 גילה ג'יי. ג'יי. תומסון את החלקיק התת-אטומי הראשון - האלקטרון. בשנת 1918 גילה ארנסט רתרפורד את הפרוטון - מרכיב כבד של גרעין האטום, להבדיל מהאלקטרון הקל, הסובב את הגרעין. בשלהי 1932 גילה הפיזיקאי ג'יימס צ'דוויק את הנייטרון, המרכיב גם הוא את גרעין האטום. בתחילה חשבו שגרעין האטום מורכב מפרוטונים ואלקטרונים מוגבלים (אותם המציאו כדי להסביר את ההבדל בין המספר האטומי למסה האטומית), אך לאחר מכן נתגלה כי הם מורכבים מפרוטונים ונייטרונים.
המחקרים של המאה העשרים בפיזיקה גרעינית ופיזיקת החלקיקים, יחד עם הוכחות לביקוע גרעיני ולהיתוך גרעיני, פתחו פתח לאפשרות של הפיכת יסוד אחד לאחר, אף כי גם כיום היכולת הזו רחוקה מחלומותיהם של האלכימאים מימי הביניים.
בשנות ה-50 וה-60 התפתחה פיזיקת החלקיקים ונתגלו סוגים רבים של חלקיקים, שזכו לכינוי "גן החיות של החלקיקים". המגוון הרחב הוביל לספק שחלקיקים אלה אכן מהווים חלקיקים יסודיים, ולשאלה ממה מורכבים חלקיקים אלה. בשנות ה-70 נוסח המודל הסטנדרטי, שבו קיומו של מספר רב כל-כך של חלקיקים הוסבר כצירופים של מספר קטן של חלקיקים יסודיים במודל הסטנדרטי של החלקיקים היסודיים.
כיום ידועים 17 חלקיקים יסודיים (ועוד אנטי חלקיק מתאים לכל אחד מהם). מתוכם שני קווארקים והאלקטרון מרכיבים את החומר הסובב אותנו ביום-יום, וארבעה אחרים מתווכים את כוחות היסוד בטבע (מלבד כוח הכבידה שאינו מתואר כיום באמצעות חלקיקים). ב-14 במרץ 2013 הודיעו הפיזיקאים במאיץ החלקיקים בשווייץ כי הם משוכנעים במידה רבה שהחלקיק אותו הם גילו הוא אכן בוזון היגס. ניסויים במאיצי חלקיקים מתרכזים בחיפוש תשובה לשאלה, שעודנה נותרת פתוחה: האם קיימים חלקיקים יסודיים יותר, או שמא המודל הסטנדרטי מספק תשובה סופית למבנהו הבסיסי ביותר של החומר.

שקילות מסה ואנרגיה

תורת היחסות הפרטית קובעת שקילות בין מסה ואנרגיה, לפי הנוסחה E=mc².
גוף יכול לאבד ממסת המנוחה שלו לטובת צורה אחרת של אנרגיה, למשל חום (פיזיקה). התופעות המציגות זאת באופן הבולט ביותר הן ביקוע גרעיני והיתוך גרעיני.

חומרים קראמיים

חומרים קראמיים הם חומרים בעלי יכולת עמידות בטמפרטורות גבוהות, המיוצרים על ידי קליית חרסית. בחומרים הקראמיים האטומים קשורים זה לזה בקשרים חזקים ויוצרים מבנה גבישי. מאחר שאין אלקטרונים חופשיים החומרים הקראמיים הם מוליכים גרועים של חום וחשמל ובעלי עמידות גבוהה בטמפרטורות גבוהות. דוגמאות לחומרים קראמיים: יהלום, גרפיט, כלי זכוכית, כלי חרס, בטון.

מהירות הקול

מהירות הקול היא המהירות שבה מתקדם הקול בחומר מסוים, והיא תלויה במקדם הקשיחות של החומר ובצפיפות שלו. בברזל, למשל, מהירות הקול היא כמה אלפי מטרים בשנייה, במים מהירות הקול גבוהה פי 4 ממהירותו באוויר. מהירות הקול בחומר במצב צבירה גזי תלויה בהרכב הגז ובטמפרטורה שלו. בגז בהרכב ידוע, מהירות הקול פרופורציונית לשורש הטמפרטורה המוחלטת שלו. מהירות הקול באוויר ב-300° קלווין היא כ־330 מטר לשנייה, או כ-1026 קילומטר לשעה.