Een eerste poging tot een antwoord op de vraag "wat is materie":
Het paradigma waarmee we tegenwoordig fundamentele natuurkunde beschrijven, is kwantumveldentheorie. Dit raamwerk is een samenvoeging van de kwantummechanica en speciale relativiteitstheorie.
Inspiratie hiervoor was de "kwantisatie" van het elektromagnetische veld. Als je Maxwells elektromagnetisme de regels van de kwantummechanica (QM) wilt opleggen, dan is het idee dat je van dat veld een "kwantumveld" maakt. Dit veld kun je vervolgens "aanslaan", en de aangeslagen toestanden noemen we dan deeltjes. In dit geval zijn dat fotonen. Dit kunnen fotonen zijn in de vorm van licht, of fotonen die de elektromagnetische kracht overbrengen.
Om technische redenen ging men dit idee ook proberen toe te passen op andere deeltjes die toen bekend waren, en dat lukte erg goed. Dit resulteerde in de kwantumelektrodynamica en uiteindelijk in het standaardmodel.
Het fundamentele ingrediënt van deze theorieën zijn dus kwantumvelden. Elk type deeltje, zoals elektron, foton, quark, muon, etc. wordt gezien als een aangeslagen toestand van het desbetreffende kwantumveld. Dit kwantumveld uit zich dus direct in termen van meetbare deeltjes, en indirect in termen van "kwantumeffecten". Dit heeft te maken met het feit dat in de kwantummechanica sprake is van golven, en dat materie zowel golf als deeltjeseigenschappen heeft.
In de kwantumveldentheorie zijn de kwantumvelden dus het meest fundamenteel, en zijn deeltjes "afgeleid" van deze velden. Waar deze velden uit bestaan kan de theorie geen antwoord op geven, aangezien het de fundamentele bouwstenen zijn van de natuur. Je kunt dit vergelijken met iemand die in de 19e eeuw vroegg waar een elektromagnetisch veld uit bestaat. Zo'n veld wordt opgeworpen door elektrische ladingen, en kan kenbaar gemaakt worden via testladingen, maar de vraag "waar het veld uit bestaat" blijft dus onbeantwoord.
Een belangrijk idee in dit hele raamwerk is dat van effectieve veldentheorieën. Een theorie is in de kwantumveldentheorie eigenlijk nooit volledig, maar komt altijd met een bepaalde energie/lengteschaal tot op waar de theorie geldig is. Zo kun je bijvoorbeeld de spectraallijnen van een waterstofatoom met de "gewone kwanutmmechanica" afleiden, maar als je details wilt beschrijven hiervan dan moet je rekening houden met het feit dat materie uit een kwantumveld kan ontstaan en je resultaten kunnen beïnvloeden. Dito kun je tot een bepaalde energieschaal de elektromagnetische wisselwerking tussen elektronen prima met de kwantumelektrodynamica beschrijven, maar voor hoog-energetische processen zullen kwantumeffecten van zwaardere deeltjes deze processen beïnvloeden. Oftewel: een theorie is nooit "af" of "volledig".
Je vraag of daar ooit een antwoord op komt, blijft ook onbeantwoord. Fysici zijn daarin heel pragmatisch; zoals Feynman het ooit zei, op de vraag of hij op zoek was naar de "ultieme wetten van de natuurkunde":
quote:
"No, I'm not. I'm just looking to find out more about the world and if it turns out there is a simple ultimate law which explains everything, so be it; that would be very nice to discover. If it turns out it's like an onion with millions of layers and we're just sick and tired of looking at the layers, then that's the way it is. ... My interest in science is to simply find out more about the world.”
Daarbij is de vraag wat je met een theorie wilt doen. Zo heb je verschillende stromingen, zoals "scientific realism" en "instrumentalism", elk met hun eigen tekortkomingen. Veel natuurkundigen denken daar niet zo heel veel over na, vermoed ik.
Ik hou het hier even bij, maar er komt later vast nog wel wat boven
En een wiskundige, technische noot: wat wij (reële) deeltjes noemen, zijn eigenlijk asymptotische aangeslagen toestanden van kwantumvelden die in een irreducibele representatie van de Lorentz-algebra zitten; als zodanig worden ze uniek gelabeld met de Casimir-operatoren van deze algebra (massa en heliciteit) plus andere zgn.kwantumgetallen zoals de diverse ladingen van de desbetreffende wisselwerkingen