Микро, макро и мега миры

1. Введение.

Весь окружающий нас мир представляет собой движущуюся материю в её бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми её свойствами, связями и отношениями. Рассмотрим подробнее, что же такое материя, а так же ее структурные уровни.

1.    Что такое материя. История возникновения взгляда на материю.

Материя (лат. Materia – вещество), «…философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от нас».

Материя – это бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения. Материя включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые в принципе могут быть познаны в будущем на основе совершенствования средств наблюдения и эксперимента. С точки зрения марксистско-ленинского понимания материи, она органически связана с диалектико-материалистическим решением основного вопроса философии; оно исходит из принципа материального единства мира, первичности материи по отношению к человеческому сознанию и принципа познаваемости мира на основе последовательного изучения конкретных свойств, связей и форм движения материи.

В основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом,  планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное  образование, включающее в себя составные части, организованные  в целостность. Для обозначения целостности объектов в науке было выработано понятие системы. [1]

Материя как объективная реальность включает в себя не только вещество в четырех его агрегатных состояниях (твердом, жидком, газообразном, плазменном), но и физические поля (электромагнитное, гравитационное, ядерное и т. д.), а также их свойства, отношения, продукты взаимодействия. Входит в нее и антивещество (совокупность античастиц: позитрон, или антиэлектрон, антипротон, антинейтрон), недавно открытое наукой. Антивещество ни в коем случае не антиматерия. Антиматерии вообще быть не может. Дальше «не» (не-материи) отрицание здесь не идет.

Движение и материя органически и нерасторжимо связаны друг с другом: нет движения без материи, как нет и материи без движения. Иначе говоря, нет в мире неизменных вещей, свойств и отношений. «Все течет», все изменяется. Одни формы или виды сменяются другими, переходят в другие – движение постоянно. Покой – диалектически исчезающий момент в беспрерывном процессе изменения, становления. Абсолютный покой равнозначен смерти, а вернее – несуществованию. Можно понять в данной связи А. Бергсона, рассматривавшего всю реальность как неделимую движущуюся непрерывность. Или А.Н.Уайтхеда, для которого «реальность есть процесс». И движение, и покой с определенностью фиксируются лишь по отношению к какой-то системе отсчета. Так, стол, за которым пишутся эти строки, покоен относительно данной комнаты, она, в свою очередь, - относительно данного дома, а сам дом – относительно Земли. Но вместе с Землей стол, комната и дом движутся вокруг земной оси и вокруг Солнца.

Движущаяся материя существует в двух основных формах – в пространстве и во времени. Понятие пространства служит для выражения свойства протяженности и порядка сосуществования материальных систем и их состояний. Оно объективно, универсально (всеобщая форма) и необходимо. В понятии времени фиксируется длительность и последовательность смены состояний материальных систем. Время объективно, неотвратимо и необратимо. Следует различать философские и естественнонаучные представления о пространстве и времени. Собственно философский подход представлен здесь четырьмя концепциями пространства и времени: субстанциальной и реляционной, статической и динамической. [3]

Основоположником взгляда на материю, как состоящую из дискретных частиц был Демокрит.

Демокрит отрицал бесконечную делимость материи. Атомы различаются между собой только формой, порядком взаимного следования, и положением в пустом пространстве, а также величиной и зависящей от величины тяжестью. Они имеют бесконечно разнообразные формы с впадинами или выпуклостями. Демокрит называет атомы также «фигурами» или «видиками», из чего следует, что атомы Демокрита являются максимально малыми, далее неделимыми фигурами или статуэтками. В современной науке много спорили о том, являются ли атомы Демокрита физическими или геометрическими телами, однако сам Демокрит еще не дошел до различения физики и геометрии. Из этих атомов, движущихся в различных направлениях, из их «вихря» по естественной необходимости путем сближения взаимноподобных атомов образуются как отдельные целые тела, так и весь мир; движение атомов вечно, а число возникающих миров бесконечно.[2]

Мир доступной человеку объективной реальности постоянно расширяется. Концептуальные формы выражения идеи структурных уровней материи многообразны.[6]

Современная наука выделяет в мире три структурных уровня.

2. Микро, Макро, Мега миры.

Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы — мир предельно малых, непосредственно не наблю­даемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни — от бесконечно­сти до 10-24 с.

Макромир — мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин, а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов; мир макрообъектов, размерность которых соот­носима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах.

Мегамир — это планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики – мир огромных космических масштабов и скоро­стей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и мил­лиардами лет.

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические зако­номерности, микро-, макро - и мегамиры теснейшим образом взаи­мосвязаны.

На микроскопическом уровне физика сегодня занимается изучением процессов, разыгрывающихся на длинах порядка 10 в минус восемнадцатой степени см., за время - порядка 10 в минус двадцать второй степени с. В мегамире ученые с помощью приборов фиксируют объекты, удаленные от нас на расстоянии около 9-12 млрд. световых лет.

Микромир. Демокритом в античности была выдвинута Атомистическая гипотеза строения материи, позже, в XVIII в. была возрождена химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за еди­ницу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свой­ства атома. В XIX в. Д. И. Менделеев построил систему хими­ческих элементов, основанную на их атомном весе.

В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии. Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А. А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном превращении атомов одних элементов в атомы других элемен­тов.

История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Томсоном электрона - отрица­тельно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Масса электрона составила по расчетам 1/1836 массы положительно заряженной частицы.

 Существовало несколько моделей строения атома.

В 1902 г. английский физик У. Томсон (лорд Кельвин) предложил первую модель атома — положительный заряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг».

В 1911 г. Э. Резерфорд предложил модель атома, которая на­поминала солнечную систему: в центре находится атомное яд­ро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны.

Ядро имеет положительный заряд, а электроны - отрица­тельный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электриче­ский заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов — атом электрически нейтрален.

Обе эти модели оказались противоречивы.

В 1913 г. великий датский физик Н. Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характе­ристике атомных спектров.

Модель атома Н. Бора базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, ос­нованную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных со­стояний (говоря языком планетарной модели, несколько ста­ционарных орбит) электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая;

2) при переходе электрона из одного стационарного состоя­ния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

В конечном итоге  точно описать структуру атома на основа­нии представления об орбитах точечных электронов принципи­ально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует.

Теория Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это по­следнее усилие описать структуру атома на основе классиче­ской физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений.

Создавалось впечатление, что постулаты Н. Бора отражают какие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь час­тично. Ответы на эти вопросы были получены в результате раз­вития квантовой механики. Выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макро­мире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.

Макромир. В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный.

Донаучный, или натурфилософский, охватывает период от античности до становления экспериментального естествозна­ния в XVI—XVII вв. Наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов.

Наиболее значимой для последующего развития естествен­ных наук была концепция дискретного строения материи атомизм, согласно которому все тела состоят из атомов — мельчайших в мире частиц.

Со становления классической механики начинается научный этап изучения природы.

Поскольку современные научные представления о струк­турных уровнях организации материи были выработаны в ходе критического переосмысления представлений классической науки, применимых только к объектам макроуровня, то начи­нать нужно с концепций классической физики.

Формирование научных взглядов на строение материи от­носится к XVI в., когда Г. Галилеем была заложена основа пер­вой в истории науки физической картины мира — механиче­ской. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методо­логию нового способа описания природы — научно-теоре­тического. Суть его заключалась в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические характеристики, кото­рые становились предметом научного исследования. Галилей писал: «Никогда я не стану от внешних тел требовать чего-либо иного, чем величина, фигура, количество и более или менее быстрого движения для того, чтобы объяснить возникновение вкуса, запаха и звука»[1].

И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небес­ных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система.

В рамках механической картины мира, разработанной И. Нью­тоном и его последователями, сложилась дискретная (корпус­кулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц — атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса.

Существенной характеристикой ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовой геометрии, которое абсо­лютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представ­лялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи.

Движение рассматривалось как перемещение в пространст­ве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики.

Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселен­ной как гигантского и полностью детерминированного меха­низма, где события и процессы являют собой цепь взаимозави­симых причин и следствий.

Механистический подход к описанию природы оказался не­обычайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две области — оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рам­ках механистической картины мира.

Наряду с механической корпускулярной теорией, осуществ­лялись попытки объяснить оптические явления принципиально иным путем, а именно - на основе волновой теории, сформу­лированной X. Гюйгенсом. Волновая теория устанавливала ана­логию между распространением света и движением волн на по­верхности воды или звуковых волн в воздухе. В ней предпола­галось наличие упругой среды, заполняющей все пространство, - светоносного эфира. Исхо­дя из волновой теории X. Гюйгенс успешно объяснил отраже­ние и преломление света.

Другой областью физики, где механические модели оказа­лись неадекватными, была область электромагнитных явлений. Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика Дж. К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и по­ложили начало электромагнитной картине мира.

Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспы­татель X. К. Эрстед, который впервые заметил магнитное дей­ствие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, М. Фарадей обнаружил, что временное измене­ние в магнитных полях создает электрический ток.