حالات المادة الأربعة
يوجد أربع حالات للمادة، وهي كالآتي :
الحالة الصلبة
تتميّز الحالة الصلبة للمادة (بالإنجليزية: Solids) بأنّها ذات شكل وحجم محدّدين ، ويعود ذلك إلى ترابط الجزيئات المُكونة للمادة مع بعضها البعض بشكل قوي ووثيق، والتي تحمل حركةً بطيئة، وعادةً ما تكون المواد الصلبة ذات شكل بلورّي.
ومن الأمثلة على المواد الصلبة البلوريّة السكر، وملح الطعام، والألماس، والعديد من المعادن الأخرى، كما تشمل المواد في الحالة الصلبة أمثلة أخرى، مثل الصخور، والأخشاب عند درجة حرارة الغرفة، ويمكن أن تتشكّل المواد الصلبة عند تبريد المواد السائلة، أو الغازيّة، ويعتبر الجليد من الأمثلة على المواد التي تحوّلت من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة بالتبريد.
الحالة السائلة
تمتلك المواد في الحالة السائلة (بالإنجليزية: Liquids) حجماً محدداً، ولكنّ شكلها لا يكون ثابتاً، إذ إنّها تأخذ شكل الوعاء الذي يحتويها، ومن الأمثلة على المواد في الحالة السائلة الماء، والنفط.
ويمكن أن تتشكّل المواد السائلة عن طريق تبريد الغازات، كما هو الحال مع بخار الماء؛ وذلك بسبب تباطؤ سرعة جزيئات الغاز الناتج عن برودتها، إضافةً لفقدها طاقتها، كما يمكن أن تتغيّر حالة المادة من الصلبة إلى السائلة عندما يتمّ تسخينها، ومن الأمثلة على ذلك الحمم المنصهرة، والتي تكون في الأصل صخوراً صلبةً تحولت إلى الحالة السائلة نتيجة تعرضها لدرجات عالية من الحرارة.
الحالة الغازيّة
توجد مساحة كبيرة بين جزيئات المادة في الحالة الغازيّة (بالإنجليزية: Gases)، وتمتلك كميةً كبيرة من الطاقة الحركيّة، حيث تنتشر بشكل غير محدود عندما تكون حرةً، أما إذا كانت محجوزةً في وعاء ما أو مكان مغلق، فإنّ جزيئات الغاز تتوسّع حتى تملأ االوعاء الموجودة فيه.
ويتمّ ضغط الغاز عن طريق تصغير حجم الوعاء الذي يحتويه، مما يؤدي إلى تقليل المسافة بين جزيئاته، وبالتالي ازدياد الضغط الناتج عن تصادم الذرات معاً، أو عن طريق زيادة درجة الحرارة المؤدية إلى زيادة الضغط، في حال ثبات حجم الوعاء، كما تمتلك جزيئات الغاز طاقةً حركيّةً كافية للتغلب على قوى الترابط بين الجزيئات التي تربط المواد الصلبة والسوائل معاً، ونتيجةً لذلك لا يمتلك الغاز حجماً واضحاً، ولا شكلاً محدداً.
البلازما
بدأ العلماء في الآونة الأخيرة دراسة حالة المادة عندما تتعرّض لدرجات حرارة وضغط عاليين جداً، وعادةً ما تتوفر هذه الظروف على سطح الشمس أو في الفضاء، فتبدأ الذرات بالتفككّ في هذه الظروف، ويتمّ نزع الإلكترونات من مدراها، مُخلفةً الأيونات ذات الشحنة الموجبة ورائها في الذرات، ويُسمى الخليط الناتج عن الذرات المتعادلة، والأيونات المشحونة، والإلكترونات الحرّة بالبلازما (بالإنجليزية: Plasma)، والتي تحتوي على مجموعة من الخصائص المميّزة التي جعلت العلماء يصنفونها على أنها الحالة الرابعة من المادة.
كما تكون البلازما مائعة، مثل السائل أو الغاز، وقد تستجيب للقوى الكهربائيّة والمغناطيسية، وتولّدها نتيجةً لوجود الجسيمات المشحونة فيها، وتضم معادلات ميكانيكا السوائل، والتي سُميّت بمعادلات بولتزمان (بالإنجليزية: Boltzman equations)، كلاً من القوى الكهربائية والمغناطيسية، وقوى السوائل العادية لمعادلات نافييه - ستوكس.
تكاثف بوز آينشتاين
استطاع العلماء صنع حالة جديدة من المادة في عام 1995م، وهي تكاثفات بوز أينشتاين (بالإنجليزية: Bose-Einstein condensates)، حيث استطاع كلاً من كارل ويمان، وإريك كورنيل التوصل لذلك عن طريق استخدام مزيج من أشعة الليزر، والمغناطيس، فقاموا بتبريد عينة من الروبيديوم (بالإنجليزية: rubidium) إلى درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق، مما يؤدي إلى تباطئ حركة الجزيئات بشكل كبير جداً لتصبح شبه معدومة، وتبدأ الذرات حينها بالتجمع معاً بسبب غياب الطاقة الحركيّة التي تنتقل من ذرة لأخرى، وتتشكّل ذرةً واحدةً ضخمة بدلاً من آلاف الذرات المنفصلة.
ويتمّ استخدام هذه الحالة لدراسة ميكانيكا الكم على المستوى المجهري، إذ يبدو الضوء وكأنه يتوقف عندما يمرّ من خلال مكثّف بوز أينشتاين، جاعلاً دراسة التناقض بين الجسيمات والموجة ممكناً، وتستخدم هذه المكثّفات لمحاكاة الظروف التي قد تتواجد في الثقوب السوداء.
