Микро-, Макро-, Мегамир

Введение

     Материя (лат.) — объективная реальность, которая дана человеку в его ощущениях и существует независимо от них, некая субстанция, основа всех реально существующих объектов и систем, их свойств, связей между ними и форм движения, есть то, из чего состоят все тела. Формы существования материи — пространство и время.

      Современное научное знание основано на структурности материи и системном подходе. Система — это определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к другим объектам или условиям. В понятие системы входит совокупность элементов и связей между ними. Под элементом системы понимается компонент системы, который далее, внутри данной системы, рассматривается как неделимый, под структурной организацией материи — ее иерархическое строение — любой объект от микрочастиц до организмов, планет и галактик является частью более сложного образования и сам может считаться таковым, т. е. состоящим из неких составных частей. Доступная для наблюдения часть мира простирается в пространстве от 10^-17 до 10²⁶ м, а во времени — до 2 • 10¹⁰ лет.

     Окружающий  нас мир современная наука  разделяет на три области: микромир, макромир и мегамир. Это стало  возможным в результате многовекового  изучения природы человеком. Критерием для выделения различных структурных уровней служат следующие признаки: пространственно-временные масштабы; совокупность важнейших свойств; специфические законы движения; степень относительной сложности, возникающей в процессе исторического развития материи в данной области мира.

       Микромир — это область природы, доступная человеку посредством приборов (микроскопы, рентгеноанализ и др.). Закономерности здесь для нас непонятны, и мы экстраполируем сюда наши понятия. Макромир — это область природы, доступная нам, т. е. область наших закономерностей. Мегамир нам труднодоступен; это область крупных объектов, больших размеров и расстояний между ними. Эти закономерности мы изучаем опосредованно. В этих областях имеется следующая иерархия объектов: микромир — это вакуум, элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы, клетки; макромир — это макротела (твердые тела, жидкости, газы, плазма), индивид, вид, популяция, сообщество, биосфера; мегамир — это планеты, звезды, галактики, Метагалактика, Вселенная.

     В настоящее время предположено К.Х. Рахматуллиным еще два гипотетических уровня – гипомир (микромир в микромире) и гипермир (сверхмегамир). Однако они не стали пока экспериментально наблюдаемыми, достоверно установленными. 

Микромир

     Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микросистем с характерным размером 10^-10 - 10^-18м. Это мир — от атомов до элементарных частиц. При этом для микромира свойственен корпускулярно-волновой дуализм, т.е. любой микрообъект обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Описание микромира опирается на принцип дополнительности Н. Бора и соотношения неопределенности Гейзенберга. Мир элементарных частиц, которые долго считали элементарными «кирпичиками», подчиняется законам квантовой механики, квантовой электродинамики, квантовой хромодинамики. Квантовое поле носит дискретный характер.

     Основными понятиями, относящимися к микромиру, являются: элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы и клетки.

     Элементарные  частицы — мельчайшие известные частицы физической материи. Все известные элементарные частицы подразделяются на две группы: адроны и лептоны. Предполагается, что адроны имеют составное строение: состоят из истинно элементарных частиц-кварков. И причем допускается существование шести типов кварков.

     Стабильными, т. е. живущими в свободном состоянии  неограниченно долго, частицами  являются протон, электрон, фотон и, по-видимому, нейтрино всех типов. Время  жизни протона составляет 10³¹ лет. Самыми короткоживущими образованиями являются резонансы — их время жизни порядка 10^-23 с.

     Объединение релятивистских и квантовых представлений, осуществленное в значительной степени  еще в 30-е годы, привело к одному из наиболее выдающихся предсказаний в физике — открытию мира античастиц. Частица и соответствующая ей античастица имеют одинаковые времена жизни, одинаковые массы, их электрические заряды равны, но противоположны по знаку. Самым характерным свойством пары частица-античастица является способность аннигилировать (самоуничтожаться) при встрече с превращением в частицы другого рода. Античастицы могут собираться в антивещество. Несмотря на микроскопическую симметрию между частицами и античастицами, во Вселенной не обнаружены области со сколько-нибудь заметным содержанием антивещества. Частицы и их античастицы одинаково взаимодействуют с полем тяготения, что указывает на отсутствие "антигравитации".

     Ядра. Атомные ядра — это связанные системы протонов и нейтронов. Массы ядер всегда несколько меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов, составляющих ядро. Это релятивистский эффект, определяющий энергию связи ядра. Известны ядра с зарядом, равным от одного заряда протона до 109 зарядов протона и с числом протонов и нейтронов (т. е. нуклонов) от 1 до примерно 260. Плотность числа частиц в многонуклонных ядрах порядка 10⁴⁴ нуклонов/м³, а плотность массы 10¹⁷ кг/м³. "Радиусы" ядер изменяются от2х10^-15м (ядро гелия) до 7 х 10^-15 м (ядро урана). Ядра имеют форму вытянутого или сплюснутого эллипсоида (или еще более сложную).

     Ядро  как квантовая система может находиться в различных дискретных возбужденных состояниях. В основном состояния ядра могут быть стабильными (устойчивыми) и нестабильными (радиоактивными). Время, за которое из любого макроскопического количества нестабильных ядер распадается половина, называют периодом полураспада. Периоды полураспада известных нам элементов изменяются в пределах примерно от 10¹⁸ лет до 10^-10 с.

     Атомы. Они состоят из плотного ядра и электронных орбит. Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены роем отрицательно заряженных электронов. В целом атом электронейтрален. Атом есть наименьшая структурная единица химических элементов. В отличие от "плотной упаковки" ядерных частиц атомные электроны образуют весьма рыхлые и ажурные оболочки. Существуют жесткие правила "заселенности" электронами орбит вокруг ядра. Электроны, находящиеся на самых верхних этажах "атомного дома", определяют реакционную способность атомов, т. е. их способность вступать в соединение с другими атомами. У большинства элементов атомы химически нестабильны. Атом стабилен, если его внешняя оболочка заполнена определенным числом электронов. Атомы с незаполненными внешними оболочками вступают в химические реакции, образуя связи с другими атомами.

     Молекулы. Молекула есть наименьшая структурная единица сложного химического соединения. Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химических соединений, составляет миллионы. Качественно молекула — это определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного химического взаимодействия объединены в частицы. При затрате определенной энергии устойчивая молекула может быть разложена на атомы.

     Некоторые атомы (например, углерода и водорода) способны образовывать сложные молекулярные цепи, являющиеся основой для образования еще более сложных структур (макромолекул), которые проявляют уже биологические свойства, т. е. свойства живого.

     Клетка. За 3 млрд лет существования на нашей планете живое вещество развилось в несколько миллионов видов, но все они — от бактерий до высших животных — состоят из клеток. Клетка — это организованная часть живой материи: она усваивает пищу, способна существовать и расти, может разделиться на две, каждая из которых содержит генетический материал, идентичный исходной клетке. Клетки служат элементарными структурами на онтогенетическом уровне организации жизни. Клетка состоит из ядра и цитоплазмы. От окружающей среды клетка отделена плазматической мембраной, которая регулирует обмен между внутренней и внешней средой и служит границей клетки. В каждой клетке содержится генетический материал в форме ДНК, регулирующей жизнедеятельность и самовоспроизведение. Размеры клеток измеряются в микрометрах (мкм) — миллионных долях метра и нанометрах (нм) — миллиардных долях. Клетки существуют как самостоятельные организмы (простейшие бактерии) или входят в состав многоклеточных организмов.

Концепции современной физики

     Первоначально мысль о том, что материя может состоять из отдельных частиц, впервые была высказана Левкипом из Милета (Др. Греция) в V в. до н. э. Эту идею развил его ученик Демокрит, который и ввел слово «атом» (от греч. «атомос», что значит «неделимый»). В начале XIX века Джон Дальтон возродил это слово, подведя научную основу под умозрительные идеи древних греков. Согласно Дальтону, атом – это крошечная неделимая частица материи, принимающая участие в химических реакциях.

     Простые представления об атоме, принадлежащие  Дальтону, были поколеблены в 1897 году, когда Дж. Томпсон установил, что атомы могут испускать еще меньшие отрицательно заряженные частицы (позднее названные электронами). Стало очевидным, что атом обладает внутренней структурой. Это открытие указывало на то, что атом должен содержать и положительные заряды. Томпсон предположил, что электроны рассеяны в положительно заряженном атоме, подобно изюминкам в булке. Эта модель не позволяла объяснить некоторые свойства атомов, однако более совершенную модель удалось создать лишь после открытия радиоактивного излучения. Явление радиоактивности было открыто Беккерелем, который обнаружил, что атомы урана самопроизвольно испускают излучение. Известны три формы этого излучения: α – поток протонов и нейтронов, β – отрицательно заряженные электроны и γ – коротковолновое магнитное излучение, не несущее заряда.

     В 1911 г. Э. Резерфорд предложил совершенно новую модель атома – планетарную, основанную на результатах его собственных экспериментов и экспериментов Ханса Гейгера, в которых измерялось расстояние α-частиц при прохождении через золотую фольгу. Согласно модели Резерфорда, положительный заряд и основная масса атома сосредоточены в центральном ядре, вокруг которого движутся электроны. Позже Резерфорд установил, что положительный заряд ядра несут частицы в 1836 раз более тяжелые, чем электрон. Он назвал их протонами. Число протонов называют атомным номером, причем оно всегда равно числу окружающих ядро электронов. Позднее было установлено, что все ядра атомов (кроме ядра водорода), содержат незаряженные частицы – нейтроны с массой, почти равной массе протона.

     Модель  атома Резерфорда, однако, была неустойчивой, так как вращающиеся электроны, теряя свою энергию, в конце концов, должны были бы упасть на ядро. Атомы же являются весьма устойчивыми образованиями, для разрушения которых требуются огромные силы.

     Датский физик Нильс Бор, сделавший следующий важный шаг на пути создания модели атома, опирался на две другие области исследований. Первая из них – квантовая теория, вторая – спектроскопия. Впервые идея квантования была высказана Максом Планком в 1900г для объяснения механизма излучения тепла и света нагретым телом. Планк показал, что энергия может излучаться и поглощаться только определенными порциями или квантами.

     Бор постулировал, что движущийся электрон в атоме водорода может существовать только на фиксированных орбитах, а спектральные линии водорода соответствуют поглощению или излучению кванта энергии. Эти процессы происходят, когда электрон «перепрыгивает» с одной фиксированной орбиты на другую.

     В результате орбиты Бора оказались не точными траекториями электрона, а местами его наиболее вероятного обнаружения в атоме. Согласно идее корпускулярноволнового дуализма, впервые высказанной Луи де Бройлем, субатомные частицы можно описывать так же, как и свет, в том смысле, что в одних случаях для этого целесообразно пользоваться понятием «частица», а в других – «волна».

     Однако  с точки зрения химии представление  об атоме как о мельчайшей частичке материи, принимающей участие в химических реакциях, по-прежнему остается наиболее удобным.

     С физикой ядра связано явление  радиоактивности, сопровождающееся выделением огромного количества ядерной энергии.

     Когда масс-спектрометры – приборы, позволяющие измерять массы отдельных ионов и ядер, – достигли достаточно высокой точности, обнаружилось, что массы ядер не равны сумме масс составляющих их протонов и нейтронов. В соответствии с релятивистской формулой Эйнштейна Е=mс2, эта разность масс и является источником ядерной энергии.

     Современная теория рассматривает ядро как исходную каплю, состоящую из протонов и нейтронов. Если ядро распадается на две приблизительно равные части, то такой процесс называется делением; если ядро испускает одну или больше частиц то это радиоактивный распад; когда же два ядра соединяются вместе, говорят о ядерном синтезе.

     Таким образом, к 1932 г. было установлено, что атомы состоят из субатомных (элементарных) частиц – протонов и нейтронов, образующих положительно заряженное ядро, и обращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.