Maddenin dört temel hali katı, sıvı, gaz ve plazmadır. Ancak maddenin laboratuvar koşullarında oluşturulabilen Bose-Einstein yoğunlaşmaları ve zaman kristalleri gibi başka halleri de vardır.
Maddenin dört hali ifadesi, evrendeki "maddeyi" oluşturan her şeyi tanımlayan bir terimdir. Uzayda yer kaplayan ve kütlesi olan her şey maddedir. Ancak maddenin bundan çok daha fazla hali olduğundan “maddenin 4 hali” ifadesi aslında geçerliliğini yitirmiştir. Bunlardan dördü doğal olarak meydana gelir, diğerleri ise laboratuvarda aşırı koşullar altında kısa süreliğine üretilir.
Tüm maddeler atomlardan; atomlar da protonlardan, nötronlardan ve elektronlardan oluşur.
Washington Eyalet Üniversitesi'nde yapılan araştırmalar atomların bir araya gelerek her türlü maddenin yapı taşları olan molekülleri oluşturduğunu gösteriyor. ABD Enerji Bilgi İdaresi'ne göre hem atomlar hem de moleküller, kimyasal enerji adı verilen bir potansiyel enerji biçimi ile bir arada tutulur.
Maddenin dört temel doğal hali şunlardır: Katı, sıvı, gaz ve plazma. Fakat Bose-Einstein yoğunlaşmaları yalnızca laboratuvarda yapılır. Fermiyonik yoğunlaşmalar ve zaman kristalleri gibi maddenin diğer farklı halleri de laboratuvarda aşırı koşullar altında üretilebilir. Zincirleme erime durumu olarak bilinen, aynı anda hem katı hem de sıvı olarak stabil bir şekilde var olan garip bir madde türü bile vardır. Örneğin potasyum metali, yüksek basınç ve sıcaklık altında hem katı hem de sıvılara benzer özelliklere sahiptir.
Katı maddelerde tanecikler çok fazla hareket etmeyecek şekilde birbirine sıkıca bağlanır. Her atomun elektronları sürekli hareket halindedir, dolayısıyla atomların küçük bir titreşimi vardır ancak konumları sabittir. Bu nedenle katı içindeki parçacıkların kinetik enerjisi çok düşüktür.
Katıların belirli bir şekli, kütlesi ve hacmi vardır. Yerleştirildikleri kabın şeklini almaz. Katılarda taneciklerin birbirine sıkı bir şekilde bağlanması, maddenin yoğunluğunun fazla olmasını sağlar.
Sıvılarda, tanecikler katılara göre daha gevşek bir şekilde bağlanır bu sayede akışkan hale gelirler. Bu da sıvıya belirsiz bir şekil verir ve sıvı bulunduğu kabın şekline alır.
Sıvıların çoğunun yoğunluğu katılardan daha azdır. Ancak katılar gibi sıvıların da sıkıştırılması inanılmaz derecede zordur.
Gazlarda taneciklerin aralarında büyük bir boşluk vardır ve kinetik enerjileri yüksektir. Gazın belirli bir şekli ve hacmi yoktur. Eğer sınırlandırılmazsa, bir gazın tanecikleri süresiz olarak yayılacaktır; eğer bir gaz kaba konulursa genişleyerek kabını doldurur. NASA'nın Glenn Araştırma Merkezi'ne göre, kabın hacmi azaltılarak bir gaz basınç altına alındığında, tanecikler arasındaki boşluk azalır ve gaz sıkıştırılır.
Jefferson Laboratuvarı'na göre maddenin plazma hali, Dünya'da yaygın bir durum değildir. Fakat evrene bakıldığında maddenin en yaygın hali Plazma olabilir. Güneş gibi yıldızlar aslında aşırı ısınmış plazma toplarıdır.
Plazma son derece yüksek kinetik enerjiye sahip yüksek yüklü parçacıklardan oluşur. Helyum, neon, argon, kripton, ksenon ve radon gibi soy gazlar; genellikle iyonize edilerek plazma haline getirilir. Bu sayede elektrik kullanarak parlayan neon tabelalar oluşturulabilir.
Bose-Einstein yoğunlaşması, bozon adı verilen parçacıklardan oluşan maddelerin, en alt enerji seviyesinde yoğunlaştığı ve maddenin kuantum etkilerinin gözlenebildiği halidir.
Bir Bose-Einstein Yoğunlaşması (BEC) ilk olarak 1995 yılında bilim insanları tarafından oluşturulmuştur. Colorado'da bulunan Ortak Astrofizik Laboratuvar Enstitüsü'de (JILA) görev alan bilim insanları Eric Cornell ve Carl Weiman, lazer ve mıknatısların bir kombinasyonunu kullanarak bir rubidyum örneğini mutlak sıfıra birkaç derece yakın olacak şekilde soğuturlar. Bu son derece düşük sıcaklıkta moleküllerin hareketi durma noktasına çok yaklaşır.
BEC'ler kuantum mekaniğini makroskobik düzeyde incelemek için kullanılır. Işığın bir BEC'den geçerken yavaşlıyor gibi görünmesi, bilim insanlarının parçacık/dalga paradoksunu incelemesine olanak tanır. Bir BEC, bir süperakışkanın veya sürtünme olmadan akan bir sıvının birçok özelliğine sahiptir. BEC'ler ayrıca kara deliklerde var olabilecek koşulları simüle etmek için de kullanılır.
Maddenin diğer halleri aşırı ve normal olmayan şartlar altında oluşturulur. Örneğin bilim insanları 2021 yılında suyu ultra yüksek basınçlara maruz bırakarak lazerle patlattılar. Bu sayede "süper iyonik buz" ve yüzen hidrojen atomlarından oluşan bir okyanusta duran katı oksijen kafesine benzeyen tuhaf yeni bir H20 formu oluşturdular. Aynı yıl, PNAS dergisinde yayımlanan bir araştırma, camın sıvıdan katıya geçiş sırasında yeni bir madde hali haline geldiğini ortaya koyarak bu durumu "sıvı cam" olarak adlandırdı.
Mikroskobik düzeyde, sıvı cam, katı ile kolloid adı verilen jel benzeri bir madde arasında bir yerdedir yani tek bir atom veya molekülden daha büyük parçacıkların bir karışımı şeklindedir. Bir madde sıvıdan katıya dönüştüğünde, moleküller kristal yapıda düzenlenir ancak cam için bu gerçekleşmez ve parçacıklar kristalleşmeden önce yerinde donar. Araştırmacılara göre sıvı camdaki parçacıklar katı camdan daha esnektir.
Zaman kristalleri, ilk kez 2012 yılında Nobel ödüllü fizikçi Frank Wilczek tarafından fark edilen bir madde biçimidir. Zaman kristalleri laboratuvarda üretilir ve enerji kaybetmeden iki enerji durumu arasında geçiş yapma yeteneğine sahiptir. Dengeye veya kararlı bir duruma ulaşamadıkları için, kapalı bir sistemin düzensizliğinin her zaman arttığını ve asla azalamayacağını belirten termodinamiğin ikinci yasasına aykırı davranırlar.
Zaman kristalleri 2017 yılında bir laboratuvarda oluşturulmuştur. 2021 yılında Google, kuantum bilgisayarında bir zaman kristali yaptığını ve maddenin bu halinin parçalanmadan 100 saniye boyunca dayandığını duyurdu.
Fermiyonik yoğunlaşmalar, maddenin laboratuvar şartlarında oluşturulan başka bir halidir. NASA'ya göre, BEC'nin kardeş aşaması olan fermiyonik yoğunlaşmalar ilk kez 2004'te oluşturulmuştur. Fermiyonik yoğunlaşmalar süperakışkanlardır, yani viskozite (akışkanlığa karşı olan direnç) olmadan akabilirler. BEC'lerin aksine, protonları, nötronları ve tek atom numaralı elektronları içeren bir tür madde olan fermiyonlardan oluşurlar. Normal şartlarda fermiyonlar yalnız halde bulunur, ancak bu maddenin bu halini oluşturmak için uygun koşulların sağlanması gerekir.
Bunu sağlamak için bilim insanları maddeyi çok soğuk bir hale getirir. 2003 yılında Physical Review Letters Dergisi’nde açıklanan bu tuhaf aşamayı gösteren ilk deneyde, Colorado'da bulunan Ortak Astrofizik Laboratuvar Enstitüsü'deki bilim insanları yarım milyon potasyum-40 atomundan oluşan bir bulutu mutlak sıfır derecesinin yani daha düşük sıcaklığın mümkün olmadığı en düşük sıcaklık derecesi olan -273,15°C ’nin milyonda birinden daha azına kadar soğutur. Ardından onlara manyetik alan uygular. Bu, potasyum atomlarını eşleşmeye zorlar ve elektron çiftlerinde meydana gelen süperiletkenliğe benzer bir durum oluşturur.
Bir maddeye enerji eklenmesi veya çıkarılması, maddenin fiziksel olarak bir halden diğerine geçmesine neden olur. Örneğin sıvı suya termal enerji (ısı) eklenmesi onun buhar (gaz) haline gelmesine neden olur. Sıvı sudan enerjinin alınması onun buza (katı) dönüşmesine neden olur. Avustralyalı fizikçi Harry Messel hareket ve basıncın da fiziksel değişimlere neden olabileceğini söylemiştir.
Bir katıya ısı uygulandığında içindeki parçacıklar daha hızlı titreşmeye ve birbirinden uzaklaşmaya başlar. Madde, belirli bir sıcaklık ve basınç sayesinde erime noktasına ulaştığında, katı erimeye ve sıvı hale dönüşmeye başlar.
Bu süreçte maddenin bir kısmı sıvı bir kısmı katı haldeyken sıcaklık ve basınç bakımından denge halindedir ve sisteme daha fazla ısı verilse de maddenin tamamı aynı fiziksel duruma ulaşana kadar maddenin genel sıcaklığının artma görülmez. Örneğin bir bardak suya buz koyup oda sıcaklığında bıraktığınızda buz ve su sonunda aynı sıcaklığa gelecektir. Buz, sudan gelen ısı nedeniyle eridikçe, ısınmaya devam etmeden önce buz küpünün tamamı eriyene kadar suyun erime sıcaklığı olan 0 santigrat derece sıcaklıkta kalacaktır.
Bir sıvı dışarıya ısı verdiğinde parçacıkları yavaşlar ve madde içinde hareketleri azalır. Madde belirli bir basınçta yeterince soğuk bir sıcaklığa, yani donma noktasına ulaştığında, sıvı katı hale gelir. Bu aşamada da madde tamamen katı haline gelene kadar sıcaklık sabit kalır.
Bir katının sıvı hale geçmeden doğrudan gaz haline dönüşmesine süblimleşme adı verilir. ABD Jeoloji Araştırma Kurumu'na göre bu durum, ya maddenin sıcaklığı kaynama noktasının üzerine hızlı bir şekilde yükseltildiğinde (flaş buharlaşma) ya da maddenin vakumlanarak soğutulup "dondurularak kurutulduğunda" meydana gelebilir. Böylece madde içindeki sıvı süblimleşmeye uğrar ve maddeden uzaklaştırılır. Örneğin dondurulmuş karbondioksit ve kurubuz gibi uçucu maddeler oda sıcaklığında süblimleşmeye uğrar.
Buharlaşma, sıvı haldeki bir maddenin gaz haline geçmesidir. Bu süreç buharlaşma veya kaynama yoluyla gerçekleşebilir.
Sıvı haldeki maddenin parçacıkları sürekli hareket halinde olduğundan birbirleriyle çok fazla çarpışır. Her çarpışma aynı zamanda enerjinin aktarılmasına da neden olur ve yüzeye yakın parçacıklara yeterli enerji aktarıldığında serbest gaz parçacıkları olarak maddeden tamamen kopabilirler. Buharlaşma yalnızca sıvının yüzeyinde gerçekleşir. Sıvılar buharlaştıkça soğur çünkü yüzey moleküllerine aktarılan ve kopmalarına neden olan enerji de onlarla birlikte ayrılır.
Sıvı yüzeyinin altında buhar kabarcıklarının oluşmasına neden olacak kadar yeterli ısı eklendiğinde sıvı halde olan madde kaynamaya başlar. Bir maddenin sıvı halden gaz haline geçmesini sağlayan sıcaklık ve basınç değeri, o maddenin kaynama noktasıdır.
