Masse har vekt, men vekten er avhengig av gravitasjonskreftene som påvirker massen. SI-enheten for masse er kilogram (kg). Atomene består av mindre bestanddeler protoner, nøytroner og elektroner, som igjen er bygget opp av mindre enheter kalt elementærpartikler. Eksempler er fermioner (baryoner, kvarker, leptoner) og bosoner (fotoner og mesoner) bundet sammen av universelle krefter. Materien kan betraktes som en kosmisk løk i mikrokosmos hvor bak hvert løkskjell befinner det seg stadig mindre bestanddeler.
Under ekstreme fysiske forhold kan materien være i aggregattilstandene plasma (forskjellig fra biologisk plasma), superfluid eller Bose-Einsteinkondensat. Masse og energi er likeverdige vist i Einsteins formel
\(\displaystyle E= mc^2\)
hvor E er energi, m er masse og c er lyshastigheten. Lys har ikke masse, men har energi og må følge Einsteins lov. Denne kan imidlertid også uttrykkes som et produkt av masse og moment
\(\displaystyle E^2 = p^2c^2 + m^2c^4\)
E er energi til partikklen p er momentet eller bevegelsen til partikkelen. Når partikkelen er er ro er p= 0. Hvis parikkelen ikke har masse er m=0, og energien er pc, det vil si all energien ligger i bevegelsen til partikkelen. En partikkel som ikke har masse må alltid bevege seg med lyshastighet. Gluoner har heller ikke masse og må derfor bevege seg med lyshastighet.
En bølge har ikke masse, selv om vann har det. Bølgen er bare et momentum, en bevegelse.
Antimaterie er bygget opp av antipartikler.
Mørk materie er stoff som ikke reflekterer eller sender ut elektromagnetisk stråling, den finnes i Universet, men vi vet ikke hva den består av.
Historie
De greske naturfilosofer mente at stoff og materie bestod av ild, jord, luft og vann. Men hva var materie ? Sand og aske kunne bli omdannet til glass, leire til porselen og når tre brant ble det aske og ild. Demokrit (ca.460-370 fvt) mente at stoffetbestod av udelelige småbiter, følge Demokrit og Epikur sin atomlære. Aristoteles støttet ikke idéen og derfor tok det lang tid før den fikk gjennomslag. Den franske Pierre Gasendi (1592-1655) gjenoppdaget atomismen til Epikur, den naturfilosofiske teori om at alt i Universet består av usynlige bestanddeler, nå kjent som atomer. Alkymistene forsøkte å lage gull, men fant ikke «de vises stein». Mystikk lå i de regulære polyedre: tetraeder, terning (kube), oktaeder, ikosaeder (20 trekanter) og dodekaeder (12 femkanter). Imidlertid skulle det seinere vise seg at disse allikevel hadde betydning i oppbygging av materien. Den engelske kjemikeren og fysikeren John Dalton (1766-1844) innførte i 1802 atomteori. Dalton er også kjent for Daltons lov om totaltrykket i en gassblanding er summen av partialtrykkene til enkeltgassene. I et nytt system for kjemisk filosofi plasserte han det letteste grunnstoffet hydrogen på plass 1. Sammensatte stoffer slik som vann består av grunnstoffene hydrogen og oksygen. Ved kvantitativ analyse ble det mulig å finne sammensetning av for eksempel karbohydratet glukose (C6H12O6), som man i starten trodde var hydrater av karbon, C6(H2O)6, derav navnet. Man oppdaget av grunnstoffer kunne ha valens, enverdige, toverdig, treverdige osv., mens edelgassene var uten valens.
I 1924 introduserte Louis de Broglie (1892-1987) idéen om at elektroner kan beskrives både som bølger og partikler, en kvantemekanisk eller bølgemekanisk betraktning av materien. De Broglie fikk nobelprisen i fysikk i 1929 «for hans oppdagelse av bølgenaturen til elektroner». All materie viser bølgenatur
Lord Rutherford (1871-1937) sendte alfapartikler (heliumkjerner) mot en gullfilm. Heliumpartikler som treffer zinksulfid (ZnS) sender ut lysglimt (scintillasjon), og han fant at de fleste alfapartiklene gikk tvers igjennom gullfilmen, og bare noen få ble avbøyd og skiftet retningen etter å ha truffet ekstremt små gull atomkjerner hvor omtrent all massen er samlet pluss litt masse i elektronene. Konklusjon: det meste av atomene som utgjør materien består av tomrom. Den tyske fysikeren Max Planck (1858-1947) fant at elektromagnetisk stråling vekselvirker med atomene i materien. Ifølge Planck-Einstein har kvanter energi (E) dividert på frekvens (svingetall, nu, ν ) og er lik Plancks konstant h.
\(\displaystyle \frac{E}{\nu}=h\)
Eller:
\(\displaystyle E= h\nu\)
Kvanter har også et moment eller impuls p hvor c er lyshastighet, og lambda λ er lik bølgelengden:
\(\displaystyle p= \frac{E}{c}= \frac{h}{\nu}\)
Materie tar opp og avgir elektromagnetisk energi (ultrafiolett stråling, synlg lys, infrarødt lys) som kvanter. Einsteins hypotese om lyskvanter kombinert med Philipp Lenards fotoelektriske lov (effekt) dannet grunnlaget for kvantefysikk. I et mikrounivers med atomer hvor man beregner sannsynligheter for hendelser, sannsynligheter for å treffe på et elektron rundt en atomkjerne. Forskjellig fra klassisk fysikk i makrokosmos med Newtons lover, årsak-virkning og kausalitet.