Структурные уровни организации материи. Микро, макро, мега миры

Структурные уровни организации материи. Микро, макро, 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.

М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика

взаимосвязаны и образуют единую область. Его работы стали исходным пунктом

исследований Дж. К. Максвелла, заслуга которого состоит в математической

разработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. Максвелл «перевел»

модель силовых линий Фарадея в математическую формулу. Понятие «поле сил»

первоначально складывалось как вспомогательное математическое понятие. Дж.

К. Максвелл придал ему физический смысл и стал рассматривать поле как

самостоятельную физическую реальность: «Электромагнитное поле — это та

часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в

электрическом или магнитном состоянии»[2].

Исходя из своих исследований, Максвелл смог заключить, что световые

волны представляют собой электромагнитные волны. Единая сущность света и

электричества, которую М. Фарадей предположил в 1845 г., а Дж. К. Максвелл

теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментально подтверждена

немецким физиком Г. Герцем в 1888 г.

После экспериментов Г. Герца в физике окончательно утвердилось понятие

поля не в качестве вспомогательной математической конструкции, а как

объективно существующей физической реальности. Был открыт качественно

новый, своеобразный вид материи.

Итак, к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в

двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.

В результате же последующих революционных открытий в физике в конце

прошлого и начале нынешнего столетий оказались разрушенными представления

классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных

видах материи.

Мегамир. Мегамир или космос, современная наука рассматривает как

взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел.

Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка -

Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического

горизонта составляет 15— 20 млрд. световых лет.

Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» — очень близкие понятия: они

характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие

«Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие

«Метагалактика» — тот же мир, но с точки зрения его структуры — как

упорядоченную систему галактик.

Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Космология как

раздел естествознания, находится на своеобразном стыке науки, религии и

Страницы: 1, 2