حالة المادة

في المواد الصلبة، تتراص الجسيمات المكونة لها (الأيونات أو الذرات أو الجزيئات) بإحكام. وتكون القوى بين هذه الجسيمات قوية لدرجة أنها لا تستطيع الحركة بحرية، بل تهتز فقط. ونتيجة لذلك، تتمتع المادة الصلبة بشكل ثابت وحجم محدد. ولا يمكن للمواد الصلبة تغيير شكلها إلا بفعل قوة خارجية، كما هو الحال عند كسرها أو قطعها.

في المواد الصلبة البلورية ، تتراص الجسيمات (الذرات أو الجزيئات أو الأيونات) بنمط منتظم ومتكرر. توجد بنى بلورية مختلفة ، وقد تمتلك المادة نفسها أكثر من بنية (أو طور صلب). على سبيل المثال، يمتلك الحديد بنية مكعبة مركزية الجسم عند درجات حرارة أقل من 912 درجة مئوية (1674 درجة فهرنهايت) ، وبنية مكعبة مركزية الأوجه بين 912 و 1394 درجة مئوية (2541 درجة فهرنهايت) . للجليد خمس عشرة بنية بلورية معروفة، أو خمس عشرة طورًا صلبًا، توجد عند درجات حرارة وضغوط مختلفة. ^{[ 1 ]}    

الزجاج والمواد الصلبة الأخرى غير المتبلورة وغير المتبلورة التي لا تحتوي على ترتيب طويل المدى ليست حالات أساسية متوازنة حرارياً ؛ لذلك يتم وصفها أدناه بأنها حالات غير كلاسيكية للمادة.

يمكن تحويل المواد الصلبة إلى سوائل عن طريق الانصهار، ويمكن تحويل السوائل إلى مواد صلبة عن طريق التجميد. كما يمكن أن تتحول المواد الصلبة مباشرة إلى غازات من خلال عملية التسامي ، ويمكن أن تتحول الغازات مباشرة إلى مواد صلبة من خلال الترسيب .

السائل مادة سائلة شبه غير قابلة للانضغاط ، تتخذ شكل الوعاء الذي تحتويه، لكنها تحتفظ بحجم ثابت (تقريبًا) بغض النظر عن الضغط. يكون الحجم محددًا إذا كانت درجة الحرارة والضغط ثابتين. عندما تُسخّن مادة صلبة فوق درجة انصهارها ، فإنها تتحول إلى سائل، بشرط أن يكون الضغط أعلى من النقطة الثلاثية للمادة. تظل القوى بين الجزيئية (أو بين الذرات أو بين الأيونات) مهمة، لكن الجزيئات تمتلك طاقة كافية للحركة بالنسبة لبعضها البعض، ويكون تركيبها متحركًا. هذا يعني أن شكل السائل ليس محددًا، بل يتحدد بحجم الوعاء الذي يحتويه. عادةً ما يكون حجم السائل أكبر من حجم المادة الصلبة المقابلة له، وأشهر استثناء هو الماء ₍ H₂O ). أعلى درجة حرارة يمكن أن يوجد عندها سائل معين هي درجة حرارته الحرجة . ^{[ ٢ ]}

الغاز سائل قابل للانضغاط. فهو لا يكتفي بتشكيل الوعاء الذي يحتويه، بل يتمدد أيضاً ليملأه.

في الغاز، تمتلك الجزيئات طاقة حركية كافية تجعل تأثير القوى بين الجزيئية ضئيلاً (أو معدوماً في حالة الغاز المثالي )، والمسافة النموذجية بين الجزيئات المتجاورة أكبر بكثير من حجم الجزيء. ليس للغاز شكل أو حجم محدد، بل يشغل كامل الوعاء الذي يُحصر فيه. يمكن تحويل السائل إلى غاز بالتسخين عند ضغط ثابت حتى درجة الغليان ، أو بخفض الضغط عند درجة حرارة ثابتة.

عند درجات حرارة أقل من درجة حرارته الحرجة ، يُطلق على الغاز أيضًا اسم البخار ، ويمكن تسييله بالضغط فقط دون تبريد. يمكن أن يوجد البخار في حالة توازن مع سائل (أو صلب)، وفي هذه الحالة يتساوى ضغط الغاز مع ضغط بخار السائل (أو الصلب).

المائع فوق الحرج هو غاز تتجاوز درجة حرارته وضغطه درجة الحرارة والضغط الحرجين على التوالي. في هذه الحالة، يختفي التمييز بين السائل والغاز. يتمتع المائع فوق الحرج بالخصائص الفيزيائية للغاز، لكن كثافته العالية تمنحه خصائص مذيبة في بعض الحالات، مما يؤدي إلى تطبيقات مفيدة. على سبيل المثال، يُستخدم ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج لاستخلاص الكافيين في صناعة القهوة منزوعة الكافيين . ^{[ 3 ]}

يتحول الغاز عادةً إلى بلازما بإحدى طريقتين: إما عن طريق فرق جهد هائل بين نقطتين، أو بتعريضه لدرجات حرارة عالية للغاية. يؤدي تسخين المادة إلى درجات حرارة عالية إلى انفصال الإلكترونات عن الذرات، مما ينتج عنه وجود إلكترونات حرة. وهذا يُكوّن ما يُسمى بالبلازما المتأينة جزئيًا. عند درجات حرارة عالية جدًا، كتلك الموجودة في النجوم، يُفترض أن جميع الإلكترونات تقريبًا "حرة"، وأن البلازما عالية الطاقة هي في الأساس نوى عارية تسبح في بحر من الإلكترونات. وهذا يُكوّن ما يُسمى بالبلازما المتأينة كليًا.

غالبًا ما يُساء فهم حالة البلازما، ورغم أنها لا توجد بشكل حر في الظروف العادية على الأرض، إلا أنها تُنتج بشكل شائع عن طريق البرق ، والشرارات الكهربائية ، والمصابيح الفلورية ، ومصابيح النيون ، أو في أجهزة التلفاز التي تعمل بالبلازما . وتُعدّ هالة الشمس ، وبعض أنواع اللهب ، والنجوم أمثلة على المادة المُضاءة في حالة البلازما. وتُعتبر البلازما أكثر حالات المادة الأربع الأساسية وفرةً؛ إذ تُشكّل 99% من المادة العادية في الكون، لأنها تُكوّن جميع النجوم . ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

تمثيل تخطيطي لشكل زجاجي ذي شبكة عشوائية (يسار) وشبكة بلورية منتظمة (يمين) ذات تركيب كيميائي متطابق.

الزجاج مادة صلبة غير بلورية أو غير متبلورة، تُظهر تحولًا زجاجيًا عند تسخينها نحو الحالة السائلة. يمكن تصنيع الزجاج من فئات مختلفة تمامًا من المواد: شبكات غير عضوية (مثل زجاج النوافذ، المصنوع من السيليكات مع إضافات)، وسبائك معدنية، ومصاهير أيونية ، ومحاليل مائية ، وسوائل جزيئية، وبوليمرات . من الناحية الديناميكية الحرارية، يكون الزجاج في حالة شبه مستقرة بالنسبة لنظيره البلوري. ومع ذلك، فإن معدل التحول يكاد يكون معدومًا.

البلورة البلاستيكية هي مادة صلبة جزيئية ذات ترتيب موضعي طويل المدى ولكن مع احتفاظ الجزيئات المكونة لها بحرية الدوران؛ في الزجاج الموجه، يتم تجميد درجة الحرية هذه في حالة غير منتظمة ومبردة .

وبالمثل، في الزجاج المغزلي، يتم تجميد الاضطراب المغناطيسي.

تتمتع البلورات السائلة بخصائص وسطية بين السوائل المتحركة والمواد الصلبة المنتظمة. فهي قادرة عمومًا على التدفق كالسائل، لكنها تُظهر ترتيبًا بعيد المدى. على سبيل المثال، تتكون المرحلة النيماتية من جزيئات طويلة تشبه القضبان، مثل بارا-أزوكسي أنيسول ، وهي نيماتية في نطاق درجة الحرارة 118-136 درجة مئوية (244-277 درجة فهرنهايت) . ^{[ 10 ]} في هذه الحالة، تتدفق الجزيئات كما في السائل، لكنها جميعًا تتجه في نفس الاتجاه (داخل كل نطاق) ولا يمكنها الدوران بحرية. ومثل المواد الصلبة البلورية، ولكن على عكس السوائل، تتفاعل البلورات السائلة مع الضوء المستقطب.  

تُشرح أنواع أخرى من البلورات السائلة في المقال الرئيسي حول هذه الحالات. ولبعض هذه الأنواع أهمية تكنولوجية، على سبيل المثال، في شاشات العرض البلورية السائلة .

يمكن أن تخضع البوليمرات المشتركة لانفصال طوري دقيق لتشكيل مجموعة متنوعة من البنى النانوية الدورية، كما هو موضح في مثال البوليمر المشترك المكوّن من ستايرين-بوتادين-ستايرين الموضح على اليمين. يمكن فهم الانفصال الطوري الدقيق بالقياس إلى الانفصال الطوري بين الزيت والماء. نظرًا لعدم التوافق الكيميائي بين الوحدات البنائية، تخضع البوليمرات المشتركة لانفصال طوري مماثل. ومع ذلك، ولأن الوحدات البنائية مرتبطة تساهميًا ببعضها البعض، فإنها لا تنفصل على المستوى العياني كما هو الحال مع الماء والزيت، وبالتالي تشكل الوحدات البنائية بنى نانوية الحجم . اعتمادًا على الأطوال النسبية لكل وحدة بنائية والبنية الطوبولوجية العامة للبوليمر، يمكن الحصول على العديد من الأشكال، كل منها يمثل طورًا ماديًا خاصًا به.

تُظهر السوائل الأيونية أيضًا انفصالًا طوريًا دقيقًا. لا يكون الأنيون والكاتيون متوافقين بالضرورة، وإلا سينفصلان، لكن التجاذب الناتج عن الشحنات الكهربائية يمنعهما من الانفصال. ويبدو أن الأنيونات والكاتيونات تنتشر داخل طبقات أو ميسيلات مُجزأة بدلًا من الانتشار بحرية كما في السائل المتجانس. ^{[ 11 ]}

تنبأ ألبرت أينشتاين بظاهرة تكثيف بوز-أينشتاين عام 1925 ، استنادًا إلى إحصاءات الجسيمات التي طورها مع ساتيندرا ناث بوز . ^{[ 12 ]} تحدث هذه الظاهرة عندما تُبرَّد الجسيمات البوزونية إلى ما يقارب الصفر المطلق ، أي -273.15 درجة مئوية (-459.67 درجة فهرنهايت) . عند درجة حرارة محددة، يشغل جزء كبير منها فجأةً نفس الحالة الكمومية ذات الطاقة الأدنى . ^{[ 12 ]} يُطلق على هذه الظاهرة اسم التكثيف تشبيهًا بتكثيف الماء ، الذي تتشابه معه في بعض الخصائص. ^{[ 13 ]}  

في عام 1937، اكتُشف أن الهيليوم-4 ، وهو النظير الأكثر شيوعًا للهيليوم ، يُشكّل حالة مائعة فائقة عند درجة حرارة أقل من درجة حرارة لامدا البالغة 2.17 كلفن (-270.98 درجة مئوية؛ -455.76 درجة فهرنهايت) . تُوصف هذه الحالة بأنها مائعة فائقة لانعدام لزوجتها وتدفقها دون احتكاك. في هذه الحالة، تحاول المادة "التسلق" خارج الوعاء الذي تحتويه. ^{[ 14 ]} كما تتميز هذه المادة بموصلية حرارية لا نهائية، مما يمنع تكوّن أي تدرج حراري فيها. عند وضع مادة مائعة فائقة في وعاء دوّار، تتكوّن دوامات كمومية . تُفسّر هذه الخصائص بنظرية مفادها أن ذرات الهيليوم-4 تُشكّل مكثف بوز-أينشتاين في حالة الميوعة الفائقة.   

في الحالة الغازية، ظلّ مكثف بوز-أينشتاين تنبؤًا نظريًا غير مؤكد لسنوات عديدة. إلا أنه في عام 1995، أنتجت مجموعتا البحث إريك كورنيل وكارل ويمَن ، من معهد JILA بجامعة كولورادو في بولدر ، أول مكثف من هذا النوع تجريبيًا باستخدام ذرات الروبيديوم . وبشكل مستقل عن كورنيل ويمَن، أنتج فولفغانغ كيترلي أيضًا مكثف بوز-أينشتاين في غاز من ذرات الصوديوم في عام 1995. ^{[ 13 ]}

المكثف الفرميوني مشابه لمكثف بوز-أينشتاين، ولكنه يتكون من فرميونات . ورغم أن مبدأ استبعاد باولي يمنع الفرميونات الفردية من شغل نفس الحالة الكمومية، إلا أن أزواج الفرميونات يمكن أن تتحد لتكوين جسيمات مركبة تتصرف كالبوزونات. ويمكن لهذه الأزواج أن تشغل نفس الحالة، مكونةً مكثفًا مشابهًا لمكثف بوز-أينشتاين. ومن أمثلة المكثفات الفرميونية الموصلات الفائقة وطور الميوعة الفائقة للهيليوم-3 ، وهو نظير نادر للهيليوم. كما لوحظ المكثف الفرميوني في الليثيوم-6 فائق البرودة . ^{[ 15 ]}

المواد فائقة التوصيل هي مواد ذات مقاومة كهربائية معدومة ، وبالتالي تتمتع بموصلية مثالية. هذه حالة فيزيائية مميزة توجد عند درجات حرارة منخفضة، وتزداد المقاومة بشكل غير متصل لتصل إلى قيمة محددة عند درجة حرارة انتقال دقيقة لكل مادة فائقة التوصيل. ^{[ 16 ]} كما تستبعد المادة فائقة التوصيل جميع المجالات المغناطيسية من داخلها، وهي ظاهرة تُعرف بتأثير مايسنر أو المغناطيسية المعاكسة المثالية . ^{[ 16 ]} تُستخدم المغناطيسات فائقة التوصيل كمغناطيسات كهربائية في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي .

تم اكتشاف ظاهرة الموصلية الفائقة في عام 1911، ولم تكن معروفة لمدة 75 عامًا إلا في بعض المعادن والسبائك المعدنية عند درجات حرارة أقل من 30 كلفن. وفي عام 1986 تم اكتشاف ما يسمى بالموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة العالية في بعض أكاسيد السيراميك ، وقد لوحظت الآن في درجات حرارة تصل إلى 164 كلفن. ^{[ 17 ]}

تحت ضغط هائل، كما هو الحال في لبّ النجوم الميتة، تخضع المادة العادية لتحول إلى سلسلة من حالات المادة الغريبة تُعرف مجتمعةً بالمادة المنحلة ، والتي تدعمها بشكل أساسي تأثيرات ميكانيكا الكم. في الفيزياء، يشير مصطلح "منحلة" إلى حالتين لهما نفس الطاقة، وبالتالي يمكن استبدالهما. وتدعم المادة المنحلة مبدأ استبعاد باولي ، الذي يمنع جسيمين فرميونيين من شغل نفس الحالة الكمومية. على عكس البلازما العادية، تتمدد البلازما المنحلة بشكل طفيف عند تسخينها، لعدم وجود حالات زخم متبقية. ونتيجةً لذلك، تنهار النجوم المنحلة إلى كثافات عالية جدًا. وتكون النجوم المنحلة ذات الكتلة الأكبر أصغر حجمًا، لأن قوة الجاذبية تزداد، لكن الضغط لا يزداد بشكل متناسب.

توجد المادة المتدهورة إلكترونيًا داخل النجوم القزمة البيضاء . تبقى الإلكترونات مرتبطة بالذرات، لكنها قادرة على الانتقال إلى الذرات المجاورة. أما المادة المتدهورة نيوترونيًا فتوجد في النجوم النيوترونية . يضغط ضغط الجاذبية الهائل الذرات بشدة، مما يجبر الإلكترونات على الاتحاد مع البروتونات عبر اضمحلال بيتا العكسي، مُنتجًا تجمعًا فائق الكثافة من النيوترونات. عادةً ما تتحلل النيوترونات الحرة خارج نواة الذرة بنصف عمر يبلغ حوالي 10 دقائق، لكن في النجم النيوتروني، يتغلب الاضمحلال العكسي على هذا التحلل. توجد المادة المتدهورة الباردة أيضًا في كواكب مثل المشتري ، وفي الأقزام البنية الأكثر ضخامة ، والتي يُتوقع أن يكون لها نواة تحتوي على هيدروجين فلزي . وبسبب التدهور، لا تكون الأقزام البنية الأكثر ضخامة أكبر حجمًا بشكل ملحوظ. في المعادن، يمكن نمذجة الإلكترونات على أنها غاز متدهور يتحرك في شبكة من الأيونات الموجبة غير المتدهورة.

في المادة الباردة العادية، تُحصر الكواركات ، وهي الجسيمات الأساسية للمادة النووية، بفعل القوة النووية القوية لتكوين الهادرونات التي تتكون من 2 إلى 4 كواركات، مثل البروتونات والنيوترونات. أما مادة الكواركات، أو مادة الديناميكا اللونية الكمومية (QCD)، فهي مجموعة من الأطوار التي تُتغلب فيها القوة النووية القوية، فتتحرر الكواركات وتصبح حرة الحركة. وتحدث أطوار مادة الكواركات عند كثافات أو درجات حرارة عالية للغاية، ولا توجد طرق معروفة لإنتاجها في حالة توازن في المختبر؛ ففي الظروف العادية، تخضع أي مادة كواركات تتشكل فورًا للتحلل الإشعاعي.

المادة الغريبة هي نوع من مادة الكواركات يُشتبه في وجودها داخل بعض النجوم النيوترونية القريبة من حد تولمان-أوبنهايمر-فولكوف (حوالي 2-3 كتل شمسية )، على الرغم من عدم وجود دليل مباشر على وجودها. في المادة الغريبة، يتجلى جزء من الطاقة المتاحة على شكل كواركات غريبة ، وهي نظير أثقل للكوارك السفلي الشائع . قد تكون هذه المادة مستقرة عند مستويات طاقة منخفضة بعد تشكلها، إلا أن هذا الأمر غير مؤكد.

بلازما الكواركات والغلوونات هي طور ذو درجة حرارة عالية جدًا، حيث تتحرر الكواركات وتصبح قادرة على الحركة بشكل مستقل، بدلًا من أن تكون مرتبطة بشكل دائم في جسيمات، وذلك في بحر من الغلوونات ، وهي جسيمات دون ذرية تنقل القوة النووية القوية التي تربط الكواركات ببعضها. وهذا يُشابه تحرر الإلكترونات من الذرات في البلازما. يمكن الوصول إلى هذه الحالة لفترة وجيزة في تصادمات الأيونات الثقيلة ذات الطاقة العالية للغاية في مسرعات الجسيمات ، مما يسمح للعلماء بمراقبة خصائص الكواركات الفردية. طُوّرت النظريات التي تتنبأ بوجود بلازما الكواركات والغلوونات في أواخر سبعينيات وأوائل ثمانينيات القرن العشرين، ^{[ 18 ]} وتم رصدها لأول مرة في مختبر سيرن عام 2000. ^{[ 19 ] [ 20 ]} على عكس البلازما، التي تتدفق كغاز، فإن التفاعلات داخل بلازما الكواركات والغلوونات قوية، وتتدفق كسائل.

عند الكثافات العالية ودرجات الحرارة المنخفضة نسبيًا، يُفترض أن الكواركات تُشكّل سائلًا كواركيًا لم تُعرف طبيعته بعد. وعند كثافات أعلى، يُشكّل هذا السائل طورًا مميزًا يُعرف باسم "اللون والنكهة المُقيدة " (CFL). هذا الطور فائق التوصيل للشحنة اللونية. قد تحدث هذه الأطوار في النجوم النيوترونية، لكنها لا تزال نظرية.

مكثف الزجاج الملون هو نوع من المادة يُفترض وجوده في نوى الذرات التي تتحرك بسرعة تقارب سرعة الضوء. وفقًا لنظرية النسبية لأينشتاين، تبدو النواة عالية الطاقة منكمشة أو مضغوطة على طول اتجاه حركتها. ونتيجة لذلك، تظهر الغلوونات داخل النواة لمراقب ثابت على شكل "جدار غلووني" يتحرك بسرعة تقارب سرعة الضوء. عند الطاقات العالية جدًا، تزداد كثافة الغلوونات في هذا الجدار بشكل كبير. على عكس بلازما الكوارك-غلوون الناتجة عن تصادم هذه الجدران، يصف مكثف الزجاج الملون الجدران نفسها، وهو خاصية جوهرية للجسيمات لا يمكن رصدها إلا في ظروف الطاقة العالية، مثل تلك الموجودة في مصادم الأيونات الثقيلة النسبية (RHIC)، وربما في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) أيضًا.

تتنبأ نظرياتٌ عديدة بوجود حالاتٍ جديدة للمادة عند طاقاتٍ عاليةٍ جدًا. وقد أدت حالةٌ مجهولةٌ إلى نشوء عدم تناظر الباريونات في الكون، ولكن لا يُعرف عنها إلا القليل. في نظرية الأوتار ، يُتوقع أن تصل درجة حرارة هاغيدورن للأوتار الفائقة إلى حوالي ^10³⁰ كلفن، حيث تُنتَج هذه الأوتار بكثرة. عند درجة حرارة بلانك ( ^10³² كلفن)، تصبح الجاذبية قوةً مؤثرةً بين الجسيمات الفردية. لا تستطيع أي نظريةٍ حاليةٍ وصف هذه الحالات، ولا يمكن إنتاجها بأي تجربةٍ متوقعة. مع ذلك، تُعد هذه الحالات مهمةً في علم الكونيات، لأن الكون ربما يكون قد مرّ بهذه الحالات في الانفجار العظيم .

المادة فائقة الصلابة هي مادة مرتبة مكانيًا (أي مادة صلبة أو بلورية) تتمتع بخصائص الميوعة الفائقة. ومثل الميوعة الفائقة، تستطيع المادة فائقة الصلابة الحركة دون احتكاك مع الحفاظ على شكلها الصلب. ورغم أن المادة فائقة الصلابة مادة صلبة، إلا أنها تُظهر العديد من الخصائص المميزة المختلفة عن المواد الصلبة الأخرى، ما يدفع الكثيرين إلى اعتبارها حالة أخرى من حالات المادة. ^{[ 21 ]}

في سائل ذي بنية شبكية، تتخذ الذرات ترتيبًا غير مستقر ظاهريًا، كما هو الحال في السوائل، لكنها تظل متناسقة في نمطها العام، كما هو الحال في المواد الصلبة. في الحالة الصلبة العادية، تصطف ذرات المادة في نمط شبكي، بحيث يكون دوران أي إلكترون معاكسًا لدوران جميع الإلكترونات المجاورة له. أما في سائل ذي بنية شبكية، فتترتب الذرات بنمط يتطلب أن يكون لبعض الإلكترونات جيرانٌ لهم نفس الدوران. وهذا ما يُنتج خصائص غريبة، ويدعم بعض الفرضيات غير المألوفة حول الشروط الأساسية للكون نفسه.

الزجاج الفائق هو حالة من حالات المادة تتميز، في الوقت نفسه، بالميوعة الفائقة والبنية غير المتبلورة المتجمدة.

تتصرف المعادن، مثل البوتاسيوم، في حالتها المنصهرة على شكل سلاسل، كسائلة وصلبة في آن واحد. ويعود ذلك إلى تعرضها لدرجات حرارة وضغط مرتفعين، مما يؤدي إلى ذوبان السلاسل في البوتاسيوم وتحولها إلى سائل بينما تبقى البلورات صلبة. ^{[ 22 ]}

تُنتج حالة هول الكمومية جهد هول كموميًا يُقاس في الاتجاه العمودي على اتجاه التيار. أما حالة هول الدورانية الكمومية فهي طور نظري قد يمهد الطريق لتطوير أجهزة إلكترونية تُبدد طاقة أقل وتُولد حرارة أقل.

المادة الفوتونية ظاهرة تكتسب فيها الفوتونات المتفاعلة مع الغاز كتلة ظاهرية، ويمكنها التفاعل فيما بينها، بل وتكوين "جزيئات" فوتونية. مصدر هذه الكتلة هو الغاز نفسه، وهو ذو كتلة. وهذا يختلف عن الفوتونات المتحركة في الفضاء الفارغ، التي لا تمتلك كتلة سكونية ، ولا يمكنها التفاعل.