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Toda a matéria no universo conhecido é composta de átomos. Cada substância tem uma estrutura atômica distinta feita de combinações particulares de prótons, elétrons e nêutrons. O estado no qual a matéria existe é chamado de fase. Há quatro fases da matéria nos quais tudo na Terra pode ser explicado: sólido, líquido, gasoso ou plasma.
Sólido
A matéria no estado sólido é feita de átomos e moléculas que estão fortemente ligadas por forças moleculares. A matéria sólida tem formato rígido e este determina seu volume. Os átomos dentro do sólido vibram, mas esse pequeno e rápido movimento é geralmente difícil de detectar. A matéria sólida pode ser cristalina ou amorfa. Os átomos em estado sólido cristalino tendem a estar empacotados firmemente e seguros por laços atômicos, exemplos são o quartzo e o sal. Os sólidos amorfos podem existir ou em um estado “vítreo” ou “borrachudo” , um exemplo é o vidro de janela.
Líquido
As forças moleculares em um líquido não são tão fortes como as do sólido, então o líquido flui, apesar de ter um volume definido. Devido a essa fluência, um líquido tipicamente assume a forma do recipiente que o contém. A única exceção é microgravidade. Nesse estado, um líquido dentro de uma superfície livre assume o formato de um círculo e não o da superfície. As partículas dos líquidos são similares as do sólido e suas densidades também.
Gás
A matéria no estado gasoso não tem forma ou volume definidos. Se confinadas em um recipiente, essa será a sua forma. Caso contrário, o gás se espalhará indefinidamente até que encontre algum tipo de resistência. Diferente de sólidos e líquidos, as partículas em um gás são separadas de tal forma que resultam em baixa densidade. Água líquida aquecida acima de 100ºC, ou 212ºF, se transforma em gás. Outros exemplos de gases são nitrogênio, oxigênio e hélio (usado para encher balões).
Plasma
Apenas recentemente os cientistas começaram a estudar o quarto estado da matéria, plasma, como um gás ionizado. O plasma é a matéria encontrada em temperaturas extremamente altas, como a do sol ou a criada durante a reentrada de uma nave espacial na atmosfera terrestre. Fora da Terra, até 99% do universo visível, assim como muito do que não é visível, é feito de plasma. No plasma, os prótons, nêutrons e elétrons flutuam livremente, em contraste com sólidos e líquidos. Por causa de sua baixa densidade, as colisões entre partículas no plasma são difíceis de acontecer. Os plasmas também podem ser encontrados nas chamas da Terra, raios e auroras.
O "Quinto estado"
Nos anos 20, Satyendra Nath Bose e Albert Einstein previram o quinto estado da matéria. Este hoje em dia é referido como condensação Bose-Einstein e foi apenas recentemente descoberto. Essa condensação se refere ao colapso dos átomos em um único estado que é essencialmente oposto a como eles se comportam no plasma. A condensação de Bose-Einstein ocorre apenas em temperaturas extremamente baixas, próximas ao zero absoluto. Essas temperaturas são muito baixas para serem reproduzidas em qualquer lugar da Terra fora de um laboratório.