Структурные уровни организации материи: микромир, макромир и мегамир

          
 
 
 
 
 
 

                  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ПЛАН

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. ВВЕДЕНИЕ

     Весь окружающий нас мир представляет собой движущуюся материю в её бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми её свойствами, связями и отношениями.

     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».

     Слово «материя» многозначно. В быту им пользуются для обозначения той или иной ткани. Современная астрономия сообщает, что видимая Вселенная насчитывает сотни тысяч звезд, звездных туманностей и других небесных тел. У всех предметов и явлений, несмотря на их разнообразие, есть общая черта: все они существуют вне сознания человека и независимо от него, т.е. являются материальными. Люди открывают все новые и новые свойства природных тел и процессов, производят бесконечное множество несуществующих в природе вещей, следовательно, материя, неисчерпаема.

     Материя и ее атрибуты несотворимы и неуничтожимы, существуют вечно и бесконечно разнообразны по форме своих проявлений. Все явления в мире обусловлены естественными материальными связями и взаимодействиями, причинными отношениями и законами природы. В этом смысле в мире нет ничего сверхъестественного и противостоящего материи. Человеческая психика и сознание тоже определяются материальными процессами в мозгу человека и являются высшей формой отражения внешнего мира.

 

2. ВЗАИМОСВЯЗЬ МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРОВ

      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^-18 см., за время - порядка 10^-22 с. В мегамире ученые с помощью приборов фиксируют объекты, удаленные от нас на расстоянии около 9-12 млрд. световых лет.

      С увеличением размеров объектов уменьшается энергия взаимодействия. Если принять энергию гравитационного взаимодействия за единицу, то электромагнитное взаимодействие в атоме будет в 10³⁹ больше, а взаимодействие между нуклонами - составляющими ядро частицами - в 10⁴¹ раз больше. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы.

      Деление материи на структурные уровни носит относительный характер. В доступных пространственно-временных масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимодействующих систем, начиная от элементарных частиц и кончая Метагалактикой.

      Говоря о структурности - внутренней расчлененности материального бытия, можно отметить, что сколь бы ни был широк диапазон мировидения науки, он тесно связан с обнаружением все новых и новых структурных образований. Например, если раньше взгляд на Вселенную замыкался Галактикой, затем расширился до системы галактик, то теперь изучается Метагалактика как особая система со специфическими законами, внутренними и внешними взаимодействиями. 

3. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКЕ, О ПОЛЕ И ВЕЩЕСТВЕ КАК ВИДАХ МАТЕРИИ

      Материя - фундаментальное понятие, связанное с любыми объектами, существующими в природе, о которых мы можем судить благодаря нашим ощущениям. Физика описывает материю как нечто, существующее в пространстве и во времени (в пространстве-времени) - представление, идущее от Ньютона (пространство - вместилище вещей, время - событий); либо как нечто, само задающее свойства пространства и времени - представление, идущее от Лейбница и, в дальнейшем, нашедшее выражение в Общей Теории Относительности Эйнштейна. Изменения во времени, происходящие с различными формами материи, составляют физические явления.

      Материя существует в двух видах - вещество и поле. Они строго разделены и их превращение друг в друга невозможно. Главным является поле, а значит основным свойством материи является непрерывность в противовес дискретности (концепция континуального непрерывного строения материи).

      Вещество. Классическое вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний: газообразном, жидком или твердом. Кроме того, выделяют высокоионизованное состояние вещества (чаще газообразного, но, в широком смысле, любого агрегатного состояния), называемое плазмой.

      В химическом отношении все вещества подразделяют на простые и сложные (химические соединения), а также на неорганические и органические вещества.

      Поле в физике -- одна из форм материи, характеризующая все точки пространства (или, шире, пространства-времени) и обладающая бесконечным числом степеней свободы. Каждой точке пространства при этом присваивается определённая физическая величина. Эта величина, как правило, меняется при переходе от одной точки к другой. В зависимости от математического вида этой величины выделяют скалярные, векторные, тензорные и спинорные поля.

      Также поля делятся в зависимости от своей природы на электромагнитные, гравитационные, магнитное, электрическое и поля ядерных сил. Проявляются поля в виде взаимодействия (переносимого с конечной скоростью) тел (при этом сила взаимодействия определяется различными характеристиками тел: массой для гравитационного поля, зарядом для электромагнитного и т. д.), которые в квантовой физике объясняются передачей специфичных для каждого типа поля частиц (фотонов для электромагнитного, гипотетических гравитонов для гравитационного и т. д.). Долгое время считалось, что поле является только наглядным теоретическим объяснением таких явлений, как световые волны, пока в 1887 Генрих Рудольф Герц не доказал существование электромагнитного поля экспериментально. 
 

4. КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ

В СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКЕ

      Корпускулярно-волновой дуализм - свойство любой микрочастицы обнаруживать признаки частицы (корпускулы) и волны. Наиболее ярко корпускулярно-волновой дуализм проявляется у элементарных частиц. Электрон, нейтрон, фотон в одних условиях ведут себя как хорошо локализованные в пространстве материальные объекты (частицы), двигающиеся с определёнными энергиями и импульсами по классическим траекториям, а в других - как волны, что проявляется в их способности к интерференции и дифракции. Так электромагнитная волна, рассеиваясь на свободных электронах, ведёт себя как поток отдельных частиц - фотонов, являющихся квантами электромагнитного поля (Комптона эффект), причём импульс фотона даётся формулой р = h/1, где р  - длина электромагнитной волны, а h - постоянная Планка. Эта формула сама по себе - свидетельство дуализма. В ней слева - импульс отдельной частицы (фотона), а справа - длина волны фотона.

      Дуализм электронов, которые мы привыкли считать частицами, проявляется в том, что при отражении от поверхности монокристалла наблюдается дифракционная картина, что является проявлением волновых свойств электронов. Количественная связь между корпускулярными и волновыми характеристиками электрона та же, что и для фотона: р = h/1 (р - импульс электрона, а h - его длина волны де Бройля).

      Корпускулярно-волновой дуализм лежит в основе квантовой физики. 
 
 
 

5. СТРУКТУРА АТОМА

С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ

      Гипотеза об атомах как неделимых частицах вещества была возрождена в естествознании и прежде всего в физике и химии для объяснения таких эмпирических законов, как законы Бойля -- Мариотта и Гей-Люссака для идеальных газов, теплового расширения тел и различных химических законов. В самом деле, закон Бойля -- Мариотта утверждает, что объем газа обратно пропорционален его давлению, но не объясняет почему. Аналогично этому при нагревании тела его размеры увеличиваются, но эмпирический закон теплового расширения не объясняет причину такого расширения.

      Очевидно, что для такого объяснения необходимо выйти за рамки наблюдаемых зависимостей, которые выражаются в эмпирических законах, и обратиться к теоретическим гипотезам и законам. В отличие от эмпирических законов они содержат понятия и величины, относящиеся к ненаблюдаемым объектам. Именно такими объектами являются атомы, а также образованные из них молекулы. С помощью атомов и молекул в кинетической теории вещества убедительно объясняются все перечисленные и другие известные эмпирические законы. В химии атом обычно определяют как наименьшую часть или единицу химического элемента.

      Однако попытка сведения всех многообразных и сложных свойств и закономерностей тел и явлений окружающего мира к более простым вряд ли могла считаться успешной, хотя бы потому, что на каждом уровне познания раскрывались новые границы и находились новые неделимые последние частицы материи. Вплоть до конца прошлого века такой частицей считался атом, но крупнейшие открытия в физике привели к отказу от такой точки зрения. Среди этих открытий следует отметить, во-первых, обнаружение явлений естественной радиоактивности таких химических элементов, как радий и уран. Оказалось, что эти элементы в естественных условиях испускают специфические радиоактивные лучи и в результате превращаются в другие химические элементы, а в конечном итоге - свинец. Отсюда непосредственно следовало, что атомы вовсе не являются неизменными, неделимыми и последними кирпичиками мироздания. Вскоре после радиоактивности была открыта мельчайшая частица электричества -- электрон. В 1913 г. Э. Резерфорд, исследуя рассеяние α-частиц атомами тяжелых элементов, показал, что основная часть массы атома сосредоточена в его центральной части -- ядре, так как вдали от него α -частицы проходят беспрепятственно. Основываясь на этих экспериментах, он предложил планетарную модель атома, согласно которой вокруг массивного ядра вращаются по своим орбитам отрицательно заряженные электроны.

Впоследствии эта модель была значительно модифицирована. Оказалось, что электроны не могут вращаться по любым орбитам, а только по стационарным, ибо в противном случае они бы непрерывно излучали энергию и упали бы на ядро, и атом самопроизвольно разрушился. Ничего подобного, однако, не наблюдается, так как атомы являются весьма устойчивыми образованиями. Все эти и связанные с ними революционные открытия невозможно было понять и объяснить с точки зрения старой, классической физики.

      После того, когда физики установили, что атом не является последним кирпичиком мироздания и сам он построен из более простых, элементарных частиц, идея поиска таких частиц заняла главное место в их исследованиях. По-прежнему мысль физиков была устремлена на то, чтобы свести все многообразие сложных свойств тел и явлений природы к простым свойствам небольшого числа первичных, фундаментальных частиц, которые впоследствии были названы элементарными. Наиболее известными элементарными частицами являются электрон, фотон, пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны и нейтрино. Позже были открыты частицы с весьма экзотическими названиями: странные частицы, мезоны со скрытым "очарованием ", "очарованные " частицы, ипсилион -частицы, разнообразные резонансные частицы и многие другие. Общее их число превышает 350. Поэтому вряд ли все такие частицы можно назвать подлинно элементарными, не содержащими других элементов. Это убеждение усиливается в связи с гипотезой о существовании кварков, из которых, по предположению, построены все известные элементарные частицы.