Сторінка
1

Сучасна наука про структуру й властивості матерії

Сучасні наукові уявлення про структуру й властивості матерії кладуть в основу ідею про її складну організацію, згідно з якою кожен матеріальний об'єкт треба розглядати як систему (цілісність), що характеризується наявністю певних елементів і зв'язків між ними (макротіла як система молекул, молекула як система атомів, клітина, живий організм, біосфера тощо).

Ці системи постійно взаємодіють з довкіллям, у результаті чого змінюються їх деякі властивості, відношення і зв'язки. Частина з них зберігається і становить основу існування певної системи, її структуру.

Кожен об'єкт (система, її елемент) — унікальний. Проте деякі групи об'єктів мають спільні (загальні) ознаки. Наявність споріднених ознак дає змогу об'єднати їх у певні класи, системи, виокремити різні рівні організації матерії.

Види матерії пов'язані між собою генетичне: кожен виникає з іншого, попереднього. Тому будову матерії можна уявити як ієрархію певних рівнів.

Сучасне природознавство доводить, що глибинні структури матеріального світу представлені об'єктами елементарного рівня (елементарними частинками та ін.). їх властивості надто відрізняються від властивостей макротіл. Часто їм притаманні як корпускулярні, так і хвильові властивості. Закономірності їх руху також істотно відрізняються від закономірностей руху макротіл.

До відкриття цих частинок наука розглядала лише два види матерії — речовину й поле. Спочатку речовину пояснювали як перервне матеріальне середовище, що складається з дискретних частинок, а поле — як безперервне матеріальне середовище. Пізніше квантова механіка визнала таке уявлення неточним. На мікрорівні поля становлять сукупність квантів, які можна розглядати як своєрідні частинки з притаманними їм корпускулярними і хвильовими властивостями. Так, електромагнітне поле можна представити як систему фотонів. Водночас частинки речовини (електрони, позитрони та ін.) фізика в деяких задачах розглядає як кванти відповідних полів.

Загалом елементарні частинки проявляються в чотирьох типах взаємодій: сильному, слабкому, електричному та гравітаційному. Два останніх проявляються на значних відстанях і тому їм підпорядковані процеси не лише мікросвіту, а й макротіл, планет, зірок, галактик (макро- і мегасвіт). Сильні й слабкі взаємодії притаманні лише процесам мікросвіту. Останніми десятиріччями виявлено, що електромагнітні та слабкі взаємодії становлять собою сторони єдиної сутності електрослабкої взаємодії.

Елементарні частинки класифікують і за типами взаємодії: важкі частинки (адрони), легкі (лептони) та гравітони. Адрони функціонують у всіх типах взаємодії; лептони — лише в елект-рослабких та гравітаційних, гіпотетичні — лише в гравітаційних. Пошук різних структур — головна мета фізики. Вона прагне виявити ті глибинні властивості й стани матерії, які зрештою визначають еволюцію Всесвіту, особливості взаємодії та розвитку його об'єктів.

Великим успіхом на цьому шляху було відкриття кваркової структури адронів. І хоч кварки не були виявлені у вільному стані, проте експериментальне зафіксовані. Саме кварки, лептони й відіграють роль базисних об'єктів у системі елементарних частинок. Вони є "будівельним матеріалом" для речовин. Завдяки взаємодії кварків існують ядра атомів. Внаслідок формування електронних оболонок навколо ядра утворюються атоми.

Нині фізика прагне створити єдину теорію елементарних частинок. Виявлено глибинні структури частинок, які проявляються в різних взаємодіях. Наука підходить до виявлення субелементарного рівня організації матерії, єдиної природи всіх елементарних частинок. Саме в закономірностях цього рівня матерії і проявляються основні таємниці Всесвіту, які визначають особливості його еволюції. З подальшим дослідженням мікросвіту виникає дедалі більше можливостей для розуміння структури Всесвіту.

Субелементарний рівень організації матерії включає ще й такий її вид, як фізичний вакуум, в якому містяться "корені" всіх елементарних частинок і фізичних тіл, відбуваються складні процеси. Поява цих ідей стала основою нових уявлень про розвиток Всесвіту, про його виникнення шляхом вибуху, пов'язаного з масовим "народженням" елементарних частинок внаслідок фазових переходів у вакуумі. На основі взаємодій об'єктів субелементарного рівня виникають елементарні частинки, а на їх основі — складніші утворення (атоми та інші). Елементарні частинки, ядра атомів можуть утворювати плазму (вид матерії, подібний до газу), її величезні скупчення, які утримуються електромагнітними гравітаційними полями, утворюють зірки, які є особливим рівнем організації матерії. В їх надрах постійно відбуваються реакції, в результаті яких одні частинки перетворюються на інші, внаслідок чого зірки випромінюють енергію, утворюють інші атоми, а їх взаємодія викликає появу молекул.

Далі йде рівень твердих, газоподібних макротіл. Особливим їх видом є такі макротіла, які називають планетами. Вони мають дуже складну структуру (ядро, літосфера, іноді — атмосфера, гідросфера). Зірки й планети, у свою чергу, утворюють планетні системи. Великі скупчення зірок, планет, пилу й газів утворюють об'єкти, які називають Галактиками. Ядро Галактики утворюється зі щільного скупчення зірок, газу й пилу. Вищим рівнем організації космічної матерії є метагалактика, яка складається з величезної кількості галактик. Можливо, існує багато метагалактик, які одержали назву позаметагалактичних об'єктів (поки що гіпотетичних), їх взаємодія утворює багатоярусний великий Всесвіт — безмежний матеріальний світ із нескінченною різноманітністю форм і видів матерії.

На певному етапі розвитку метагалактики в деяких планетних системах утворюються необхідні умови для формування з молекул неживої природи носіїв життя. Останнє має кілька рівнів матеріальної організації: система доклітинного рівня — нуклеїнові кислоти (ДНК і РНК) та білки; клітини як особливий рівень біоорганізації; одноклітинні та багатоклітинні організми — рослинного й тваринного походження, існують також над-органічні структури (популяції) — спільності особин одного виду, пов'язаних між собою загальним генофондом і здатних до самовідтворення.