Madde
Evrendeki her şey, uzayda yer kaplayan, bölünebilen, ağırlığı olan ve değişik biçimlerde algılanabilen maddelerden oluşur. Maddenin, katı, sıvı ve gaz olarak adlandırılan üç temel hali ya da durumu vardır.
Herhangi bir maddenin katı mı, sıvı mı, yoksa gaz halinde mi bulunduğunu kolayca söyleyebiliriz. Katıların, örneğin tuğlanın belirli bir biçimi ve boyutu vardır. Yeterli kuvvet uygulamadıkça bu durumdaki maddenin biçimini ya da boyutlarını değiştiremeyiz. Ayrıca katilar “pekişik” yapıdadır; yani katı bir cismi oluşturan moleküller (küçük parçacıklar) aralarında hiç boşluk kalmayacak biçimde birbirlerine sıkıca bağlanmıştır. Bu nedenle tuğlayı bir ucundan tutup kaldırabiliriz. Sıvıların ise, katılardan farklı olarak belirli bir biçimi yoktur; her sıvı, içine konulduğu kabın, örneğin bir bardağın ya da şişenin biçimini alır. Buna karşılık katilar gibi sıvıların da belirli bir boyutu, daha doğrusu
hacmi vardır; ama bu hacim içindeki parçacıklar katilardaki gibi birbirine yapışık değildir. Oysa gazların ne belirli bir biçimi, ne de belirli bir boyutu vardır. Molekülleri de sıvılarınkinden daha seyrek ve gevşek yapıdadır. Bu yüzden gazlar bulundukları yerin sınırlarına kadar genleşir, yani yayılırlar. Örneğin evdeki bir gaz kaçağı bir süre sonra odanın her yanından fark edilebilir. Öte yandan, moleküller arasındaki boşluklar nedeniyle büyük miktardaki bir gazı küçük bir kabın içine sıkıştırmak olanaklıdır.
Hal Değiştirme
Her madde, çevre koşullarına bağlı olarak katıdan sıvıya, sıvıdan gaza dönüşerek her üç halde de bulunabilir. Ama olağan sıcaklık ve basınç gibi çevre koşullarında bir maddeyi yalnızca katı, sıvı ya da gaz haliyle tanırız. Bunun bilinen tek aykırı örneği sudur; çünkü, olağan çevre sıcaklığında sıvı halde gördüğümüz su, buzdolabında donduğu zaman katı, kaynayan çaydanlıkta buharlaştığı zaman da gaz halinde karşımıza çıkar. Bir maddenin çevresindeki sıcaklık ve basınç değiştiğinde madde de hal değiştirerek bir durumdan öbürüne geçebilir. Bunun nedeni, bir madde ısındığı zaman moleküllerin hareketinin artmasıdır. Katı bir madde ısıtıldığında, molekülleri belirli bir düzen içinde birbirlerine sıkıca tutunmuş oldukları halde hareket etmeye çalışır. Ama aralarında boşluk olmadığından yapabilecekleri tek hareket bulundukları yerde titreşmektir. Isınan bir cisme dokunulduğunda
duyulan sıcaklık moleküllerin bu hızlı titreşiminden kaynaklanır. Maddeye daha fazla ısı enerjisi verildiğinde, moleküller bulundukları yerden koparak hareket edebilir ve böylece katı eriyerek sıvı hale geçerken biçimini de yitirir. Sıcaklık daha da artırıldığında moleküllerin hareketi iyice hızlanır ve sonuçta sıvı kaynamaya başlar. Artık moleküller hemen hemen serbest durumdadır.
Madde ısındığında ya da soğuduğunda hal değiştirirse de, bir halden öbürüne geçiş sıcaklığı atmosfer basıncına bağlıdır. Bir sıvının üzerindeki basınç arttıkça, sıvının kaynama noktası da yükselir. Örneğin, üstü açık bir kapta ancak 100°C’ye kadar ısıtılabilen su, sıkıca kapatılmış bir düdüklü tencerede çok daha yüksek sıcaklıklara ulaşabilir. Buna karşılık, deniz düzeyinden yükseldikçe atmosfer basıncı düştüğü için yüksek bir dağın tepesinde suyun kaynama sıcaklığı 100°C’nin çok altındadır.
Katilardan çoğunun erime noktası ile sıvılardan çoğunun donma noktası, basınç arttıkça yükselir; bu kuralın dışında kalan başlıca maddeler buz ve sudur. Bir gazı sıvı hale dönüştürmek için hem soğutmak, hem de sıkıştırmak (basınç uygulamak) gerekir. Çünkü gazları çok düşük sıcaklıklara kadar soğutmak oldukça güçtür; ama gaz önce sıkıştırılıp sonra soğutulursa daha çabuk sıvılaşır. Gazları sıvılaştırarak bir yerden bir yere taşımak daha kolay olduğundan bu işlem sanayide çok uygulanır. Yalnız her gazın kendine özgü bir “kritik sıcaklığı” vardır; bu sıcaklığın altına inmedikçe gaz ne kadar sıkıştırılırsa sıkıştırılsın sıvılaşmaz.
Süblimleşme
Bir katıyı gaz haline dönüştürmek için, genellikle önce eriterek sıvılaştırmak gerekir. Ama bazı durumlarda katı madde, aradaki bu sıvı evreden geçmeksizin doğrudan gaz haline gelir; bu olaya süblimleşme ya da uçunum denir. Örneğin, “kuru buz” denen katı karbon dioksit, ısıtıldığında süblimleşerek doğrudan karbon dioksit gazına dönüşür.
Maddenin Dördüncü Hali
Madde hal değiştirerek katı, sıvı ya da gaza dönüştüğünde atomlar hiçbir değişikliğe uğramaz. Ama bir gazın sıcaklığı sürekli artırılırsa, belirli bir sıcaklığın üzerinde atomlar parçalanır ve yüklü parçacıkları serbest kalır. Bu durumda gazın özellikleri de değişir. Örneğin, çok iyi bir elektrik iletkeni olur ve magnetik akımlardan etkilenmeye başlar. Ama bu yeni hale geçiş sıcaklığı milyonlarca derece santigradı bulduğundan, gazları ısıtarak bu dönüşümü sağlamak pek kolay değildir. Oysa Güneş’in ve öbür yıldızların iç katmanlarındaki sıcaklık hep bu düzeyde olduğundan, yıldızlardaki maddeler için bu dönüşüm olağandır. Maddenin işte bu dördüncü haline plazma denir. Çekirdek kaynaşması (füzyon) tepkimeleri de plazma halindeki maddede gerçekleşir.
Madde ve Fizik
Evrendeki her şey maddeden oluştuğuna göre, maddenin çeşitli fizik yasalarıyla yönetildiğini söyleyebiliriz. Bütün maddeler birbirlerini kütleçekim kuvvetiyle çekerler ve bütün maddeler eylemsizlik ilkesine uyarlar. Herhangi bir cisimdeki madde miktarına o cismin kütlesi denir.
Maddeye ilişkin çok önemli iki yasa vardır. Bunlardan ilkine göre, kapalı bir sistemde var olan hiçbir madde yok edilemez ve yoktan var edilemez. Kütlenin korunumu yasası adıyla bilinen bu ilkenin bilimsel temellerini ilk kez Fransız kimyacı Antoine Lavoisier ortaya koymuştur. Alman asıllı büyük bilim adamı Albert Einstein’ın biçimlendirdiği ikinci yasaya göre de madde ile enerji birbiriyle eşdeğerdedir.