المادة في الفيزياء الكلاسيكية هي كل ما له كتلة وحجم. وللمادة خصائص مختلفة تشمل الحجم والكتلة والكثافة. وتشكل بذلك ما يعرف بالكون الملموس. لكن يستحيل حالياً تعريف المادة بهذا الشكل لسقوط الفاصل بين المادة والطاقة طبقا لمعادلة آينشتاين الشهيرة E=mc² .
المادة هي جزء من كوننا،(كل شيء في الكون يتكون من مادة، ومن ذلك الأجسام والأشياء المحيطة بنا)، وتبين القياسات الكونية بواقع عام 2013 أن المادة تُشكل 27% من كتلة الكون، 4% فقط هي المادة الطبيعية، والتي تنقسم إلى نوعين رئيسيّين: مادة مضيئة وغير مضيئة، وتُشكل الأولى 0.4% من كتلة الكون، في حين أن الثانية تُشكل 3.6% من الكتلة الكلية. أما الـ23% الأخرى فهي المادة المظلمة ، والـ73% الباقية هي الطاقة المظلمة. أي أن كل ما نراه من نجوم وكواكب ومجرات لا يزيد عن 4% من الكتلة الكلية للكون، والباقي لا نراه، ولكنه موجود وتدل عليه دلائل كونية. حاليا يحاول العلماء ابتكار طرق لقياس المادة المظلمة ، والطاقة المظلمة ذاتها.
المحتويات
أشكال الماده
هناك أربع حالاتٍ طبيعية للمادة هي: المواد الصلبة، والسوائل، والغازات، والبلازما، بالإضافة إلى نوعٍ صناعيٍّ من صُنع البشر يُسمى بمكثفات بوز – أينشتاين، سأناقش كلًا منها ببعض التفصيل.
الماده الصلبة
تمتاز الماده الصلبة بالتجاذب الكبير بين جُزيئاتها، إذ ترتصّ جُزيئاتها على مسافاتٍ ثابتةٍ من بعضها البعض ولا تتحرك، ما يُعطيها شكلًا وحجمًا ثابتين. تنقسم المواد الصلبة بشكلٍ عامٍ إلى ثلاث فئاتٍ عريضة تبعًا لطريقة اصطفاف جزيئات الماده تجاه بعضها البعض وهي:
- المواد الصلبة البلورية: تترتب جزيئاتها بشكلٍ دوريٍّ بانتظامٍ كما الشبكة الواحدة، ومن أهم الأمثلة عليها جميع المعادن والعديد من الأملاح المعدنية مثل ملح الطعام الشائع (كلوريد الصوديوم).
- المواد الصلبة غير البلورية: لا يتم فيها تنظيم الذرات والجزيئات في نمطٍ شبكيٍّ محددٍ، وهي تشمل الزجاج والبلاستيك.
- المواد الصلبة شبه البلورية: تُرتب الذرات فيها بطريقةٍ شبه دوريةٍ؛ أي في أنماطٍ لا تتكرر على فتراتٍ منتظمةٍ، إنما وفق تناظراتٍ مثل التناظر الخماسي المحظور في البلورات العادية. تُعتبر الهياكل شبه البلورية شائعةً في السبائك التي يُدمج فيها الألومنيوم مع معدنٍ آخر كالحديد أو الكوبالت أو النيكل.
الماده السائلة
الحالة السائلة للمادة هي مرحلةٌ وسطيةٌ بين المواد الصلبة والغازية من حيث الترابط والمسافات بين الجُزيئات، تخضع جُزيئات السوائل للتجاذب فيما بينها مثل جسيمات الماده الصلبة، لذلك حجمها يبقى ثابتًا تقريبًا، ولكن المسافة بين جُزيئات السوائل أكبر منها في الماده الصلبة لذا فهي غير ثابتةٍ في موضعها.
تتسبب حركة الجسيمات في تغير شكل السائل حيث تنساب الجزيئات فوق بعضها معطيةً انسيابية للسوائل بحيث تملأ الجزء السفلي من أي وعاءٍ توضع فيه دون تغيرٍ في الحجم.
الماده الغازية
الغاز هو حالة مادة ليس لها شكلٌ ولا حجمٌ ثابتان، تتميز الغازات بكثافةٍ أقلّ من حالات الماده الأخرى (المواد الصلبة والسوائل)، إذ تتوضع جزيئات الغازات على مسافةٍ كبيرةٍ من بعضها البعض، وتكون الروابط فيما بينها ضعيفةً نسبيًّا ما يسمح لها بالتحرك والانتشار بحريةٍ.
تتحرك الجُزيئات المكونة للغازات بسرعةٍ كبيرةٍ وتتصادم مع بعضها البعض، مما يؤدي إلى انتشارها حتى يتم توزيعها بالتساوي في جميع أنحاء الحاوية التي توجد فيها. عندما يدخل المزيد من جزيئات الغاز إلى الحاوية، تقلّ مساحة انتشار الجزيئات وتصبح مضغوطةً على بعضها وتمارس الجسيمات قوّةً أكبر على الجدار الداخلي للحاوية، تُسمى هذه القوة بالضغط.
البلازما (نواتج الاندماج في النجوم)
البلازما مادةٌ شديدة الحرارة بحيث تنفصل الإلكترونات عن الذرات مكونةً غازًا مؤينًا، فهي شكلٌ من أشكال الغازات، غالبًا ما يُطلق على البلازما (الحالة الرابعة للمادة) جنبًا إلى جنبٍ مع المواد الصلبة والسائلة والغازية.
تُشكل البلازما أكثر من 99% من الكون المرئي، تتوهج على شكل نجومٍ في السماء، وحتى الشفق القطبي الذي يتموج أحيانًا فوق القطبين الشمالي والجنوبي هو نوعٌ من البلازما، كذلك البرق الذي يشق السماء هو بلازما، هي الحالة الأكثر شيوعًا للمادة في الكون ككلٍ، حيث تشكل البلازما النواتج الأساسية لتفاعلات الاندماج النووي في النجوم والشمس.
تلك الأنواع الأربعة السابقة هي الأنواع الموجودة بشكلٍ طبيعيٍّ في الكون كأشكالٍ للمادة، ولكن تمكن العلماء من استنباط نوعٍ صناعيٍّ أطلقوا عليه مكثف بوز-آينشتاين.
مكثف بوز-آينشتاين
هي حالةٌ من حالات الماده تحدث عندما تُبرّد مجموعة من الذرات تقريبًا إلى الصفر المطلق، بحيث أنها تتداخل فيزيائيًّا مع بعضها البعض وتشكل في الواقع ذرةً واحدةً. بحسب مبدأ عدم اليقين في الفيزياء، إذا كانت سرعة الذرة طبيعيةً في حركتها، فإن موقعها يصبح غير محددٍ بمرور الوقت، لكن عن طريق تبريد مجموعةٍ من الذرات إلى درجةٍ أعلى بقليلٍ من الصفر المطلق، يمكن تحديد سرعتها بدقةٍ إلى حدٍّ ما، إلى درجةٍ تتداخل مواقعها النظرية مع بعضها البعض، وفي هذه المرحلة، يمكن التعامل مع جميع الذرات كما لو كانت موجودةً في نفس الحالة الكمية، وتشكل جزءًا من ذرةٍ واحدةٍ كبيرةٍ.
الخصائص الميكانيكيّة للمواد
تشتمل الخصائص الميكانيكيّة للمواد والّتي يتم الحصول عليها عن طريق اختبار الشد على الآتي:
المرونة: يُعبّر هذا المقياس عن قدرة المواد على الرجوع لشكلها الأساسي بعد تعرّضها لضغط معيّن أدّى لتشوّهها.
قوّة الشّد النهائيّة: يقصد بها قياس كميّة الضغط الذي تستطيع المادّة تحمله قبل أن تتحطّم.
قوّة الإنتاج: يقصد بها الضغط الذي يتم تطبيقه للحصول على كميّة معيّنة من مادّة محدّدة.
اللّيونة: تعبّر عن كمية الضرر الذي يحدث للمادّة عند تعرّضها لضغط معيّن.