Современная наука о строении материи

В основе современных научных представлений о строении материи лежит идея ее сложной системной организации. Любой объект материального мира может быть рассмотрен в качестве системы, то есть особой целостности, которая характеризуется наличием элементов и связей между ними.

Например, макротело можно рассматривать как определенную организацию молекул. Любая молекула тоже является системой, которая состоит из атомов и определенной связи между ними: ядра атомов, входящие в состав молекулы как одноименные (положительные) заряды, подчиняются силам электростатического отталкивания, но вокруг них образуются общие электронные оболочки, которые как бы стягивают эти ядра, не давая им разлететься в пространстве. Атом также представляет собой системное целое — состоит из ядра и электронных оболочек, расположенных на определенных расстояниях от ядра. Ядро каждого атома, в свою очередь, имеет внутреннюю структуру. В простейшем случае — у атома водорода — ядро состоит из одной частицы — протона. Ядра более сложных атомов образованы путем взаимодействия протонов и нейтронов, которые внутри ядра постоянно превращаются друг в друга и образуют особые целостности — нуклоны, частицы, которые часть времени пребывают в протонном, а часть — в нейтронном состоянии. Наконец, и протон, и нейтрон — сложные образования. В них можно выделить специфические элементы — кварки, которые взаимодействуют, обмениваясь другими частицами — глюонами (от лат. gluten — клей), как бы «склеивающими» кварки. Протоны, нейтроны и другие частицы, которые физика объединяет в группу адронов (тяжелых частиц), существуют благодаря кварк-глюонным взаимодействиям.

Изучая живую природу, мы также сталкиваемся с системной организацией материи. Сложными системами являются как клетка, так и построенные из клеток организмы; целостную систему представляет собой вся сфера жизни на Земле — биосфера, существующая благодаря взаимодействию своих частей: микроорганизмов, растительного, животного мира, человека с его преобразующей деятельностью. Биосферу можно рассматривать как целостный объект (как и атом, молекулу и т. д.), где есть определенные элементы и связи между ними.

Материальные системы всегда взаимодействуют с внешним окружением. Некоторые свойства, отношения и связи элементов в этом взаимодействии меняются, но основные связи могут сохраняться, и это является условием существования системы как целого. Сохраняющиеся связи выступают как инвариант, то есть устойчивые, не изменяющиеся при вариациях системы. Эти устойчивые связи и отношения между элементами системы образуют ее структуру. Иными словами, система — это элементы и их структура.

Любой объект материального мира уникален и нетождествен другому. Но при всей уникальности и непохожести объектов определенные их группы в своем строении обладают общими признаками. Например, существует очень большое разнообразие атомов, но все они устроены по одному типу — в атоме должно быть ядро и электронная оболочка. Огромное многообразие молекул — от простейшей молекулы водорода до сложных молекул белков — имеет общие структурные признаки: ядра атомов, образующих молекулу, стянуты общими электронными оболочками. Можно обнаружить общие признаки строения у различных макротел, у клеток, из которых построены живые организмы, и т. д. Наличие общих признаков организации позволяет объединить различные объекты в классы материальных систем. Эти классы часто называют уровнями организации материи или видами материи.

Все виды материи связаны между собой генетически, то есть каждый из них развивается из другого. Строение материи можно представить как определенную иерархию этих уровней (см. схему).