Лекция 7. Материя. Вещество. Поле.

1. Материя и уровни ее организации.

2. Концепция атомизма.

3. Элементарные частицы, характеристика.

4. Основные взаимодействия в природе.

Материя и уровни ее организации.Понятие «Материя» многозначно. Его используют для обозначения той или иной ткани. Иногда ему придают иронический смысл, говоря о «высоких материях». У всех предметов и явлений, окружающих человека, несмотря на их разнообразие, есть общая черта: все они существуют вне сознания человека и независимо от него, т.е. являются материальными. Люди постоянно открывают все новые и новые свойства природных тел, производят множество не существующих в природе вещей, следовательно, материя неисчерпаема.

Материя несотворима и неуничтожима, существует вечно и бесконечно разнообразна по форме своих проявлений. Материальный мир един. Все его части – от неодушевленных предметов до живых существ, от небесных тел до человека как члена общества – так или иначе связаны. Т.е. 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, происходящими в мозгу человека, и являются высшей формой отражения внешнего мира.

Свойства материи. Системность – характерная черта материальной действительности. Системой является то, что определенным образом связано между собой и подчинено соответствующим законом. В переводе с греческого языка система – это целое, составленное из частей, соединение.

Системы бывают объективно существующими и теоретическими, или концептуальными, т.е. существующими лишь в сознании человека. Система – это внутреннее или внешнее упорядоченное множество взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. Она фиксирует преобладание в мире организованности над хаотичными изменениями. Все материальные объекты универсума обладают внутренне упорядоченной, системной организацией. Упорядоченность подразумевает наличие закономерных отношений между элементами системы, которое проявляется в виде законов структурной организации. Структурная организация, т.е. системность, является способом существования материи.

Структурность –это внутренняя расчлененность материального бытия. Внутренняя упорядоченность имеется у всех природных систем, возникающих в результате взаимодействия тел и естественного саморазвития материи, внешняя характерна для искусственных систем, созданных человеком: технических, производственных, концептуальных, информационных и т.п. Истоки идеи структурности универсума относятся к античной философии (атомистика Демокрита, Эпикура, Лукреция Кара).

Понятие структуры материи охватывает макроскопические тела, все космические системы. С этой точки зрения понятие «структура» проявляется в том, что она существует в виде бесконечного многообразия целостных систем, тесно взаимосвязанных между собой, в упорядоченности строения каждой системы. Такая структура бесконечна в количественном и качественном отношении. Проявлениями структурной бесконечности материи выступают:

1) неисчерпаемость объектов и процессов микромира.

2) бесконечность пространства и времени.

3) бесконечность изменений и развития процессов.

Эмпирически доступна для человека лишь конечная область материального мира: в масштабах от 10^-15 до 10²⁸ см, а во времени – до 2*10⁹ лет.

Структурные уровни организации материи. В современном естествознании эта структурированность материи оформилась в научно обоснованную концепцию системной организации мира. Структурные уровни материи образованы из какого-либо вида и характеризуются особым типом взаимодействия между составляющими их элементами. Критериями для выделения различных структурных уровней служат следующие признаки:

1) пространственно-временные масштабы;

2) совокупность важнейших свойств и законов изменения

3) степень относительной сложности, возникшей в процессе исторического развития материи в данной области мира.

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 от элементарных частиц до Метагалактики.

Каждая из сфер объективной действительности включает в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Внутри этих уровней доминирующими являются координационные отношения, а между уровнями – субординационные.

Иерархия структурных элементов материи.Современная физика постепенно, шаг за шагом, открывала совершенно новый мир физических объектов – микромир или мир микроскопических частиц, для которых характерны преимущественно квантовые свойства. Поведение и свойства физических тел, состоящих из микрочастиц и составляющих макромир, описываются классической физикой. К двум совершенно разным объектам – микромиру и макромиру можно добавить и мегамир – мир звезд, галактик и Вселенной, расположенный за пределами Земли.

Материя распределена по Вселенной неоднородно. Структурные элементы материи объединяются в целостные системы, взаимодействия внутри которых сильнее и важнее взаимодействий элементов системы с ее окружением. В свою очередь, материальные системы взаимодействуют между собой, вступая в отношения соподчинения и образуя иерархию природных систем. Основными ступенями этой иерархии служат микромир, макромир и мегамир.

Объективная действительность состоит из трех основных сфер: неорганической природы, живой природы, общества. Например, при классификации неорганического типа выделяют элементарные частицы и поля, атомные ядра, атомы, молекулы, макроскопические тела, геологические образования.

Можно вычленить три структурных уровня:

1. мегамир – мир космоса (планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики и неограниченные масштабы до 10²⁸ см);

2. макромир – мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин (а также кристаллические комплексы молекул, орагнизмы, сообщества организмов, т.е. макроскопические тела 10^-6 – 10⁷ см);

3. микромир – мир атомов и элементарных частиц, где неприменим принцип «состоит из» (область порядка 10^-15 см).

При оценке грандиозности масштабов Вселенной всегда возникает классический философский вопрос: конечна или бесконечна Вселенная? Понятием бесконечности оперируют в основном математики и философы. Физики-экспериментаторы, владеющие экспериментальными методами и техникой измерений, получают всегда конечные значения измеренных величин. Огромное значение науки и в особенности современной физики заключается в том, что к настоящему времени уже получены многие количественные характеристики объектов не только макро- и микромира, но и мегамира.

Пространственные масштабы нашей Вселенной и размеры основных материальных образований, в том числе и микрообъектов, можно представить из следующей таблицы, где размеры даны в метрах (для простоты приведены лишь порядки чисел, т. е. приближенные числа в пределах одного порядка):

Из этих данных видно, что отношение самого большого к самому малого размеру, доступному сегодняшнему эксперименту, составляет 44 порядка. С развитием науки данное отношение постоянно возрастало и будет возрастать по мере накопления новых знаний об окружающем нас материальном мире. Микромир— это Вселенная, рассматриваемая в масштабе столь мелком, что он несоизмерим с размерами человеческого тела. Поведение микроскопических объектов определяется в основном квантовыми и тепловыми флуктуациями (нарушения симметрии).

Макромир— это Вселенная, рассматриваемая в масштабе, более или менее соизмеримом с размерами человеческого тела (от живой клетки до горы). Поведение макроскопических объектов хорошо описывается законами классической механики и электродинамики.

Мегамир— это Вселенная, рассматриваемая в масштабе столь крупном, что он несоизмерим с размерами человеческого тела. В мегамире преобладает гравитационное взаимодействие. В его масштабах существенными становятся законы общей теории относительности. Основными структурными элементами материи в мегамире являются галактики и их скопления. Галактики — огромные звездные системы, состоящие из миллиардов звезд. Каждая звезда относится к какой-нибудь галактике; в межгалактическом пространстве звезд нет.

На разных структурных уровнях материи мы сталкиваемся с особенными проявлениями пространственно-временных отношений, с различными видами движения. Микромир описывается законами квантовой механики. В макромире действуют законы классической механики. Мегамир связан с законами теории относительности и релятивистской космологии.

Разные уровни материи характеризуются разными типами связей:

1) в масштабах 10^-13 см – сильные взаимодействия, целостность ядра обеспечивается ядерными силами.

2) целостность атомов, молекул, макротел обеспечивается электромагнитными силами.

3) в космических масштабах – гравитационными силами.

С увеличением размеров уменьшается энергия взаимодействия. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы.

Внутри каждого из структурных уровней существуют отношения субординации (молекулярный уровень включает атомарный, а не наоборот). Всякая высшая форма возникает на основе низшей, включает ее в себя в снятом виде. Это означает по существу, что специфика высших форм может быть познана только на основе содержания высшей по отношению к ней форме материи. Закономерности новых уровней не сводимы к закономерностям уровней, на базе которых они возникли, и являются ведущими для данного уровня организации. Кроме того, неправомерен перенос свойств высших уровней материи на низшие. Каждый уровень материи обладает своей качественной спецификой. В высшем уровне материи низшие его формы представлены не в чистом виде, а в синтезированном (снятом) виде.

Структурные уровни материи взаимодействуют между собой как часть и целое. Взаимодействие части и целого состоит в том, что одно предполагает другое, они едины, и друг без друга существовать не могут. Не бывает целого без части и нет частей вне целого. Часть приобретает свой смысл только благодаря целому так же, как и целое есть взаимодействие частей. Во взаимодействии части и целого определяющая роль принадлежит целому. Однако это не означает, что части лишены своей специфики. Определяющая роль целого предполагает не пассивную, а активную роль частей, направленную на обеспечение нормальной жизни универсума как целого. Подчиняясь в общем системе целого, части сохраняют свою относительную самостоятельность и автономность. С одной стороны, они выступают как компоненты целого, а с другой – они сами являются своеобразными целостными структурами, системами.

Обращает на себя внимание то, что в области биологических систем возникают параллельные иерархические отношения. Например, организм может одновременно выступать в ипостасях индивида и особи. Индивид как генетическая единица входит в репродуктивную группу, в которой осуществляет программу размножения, а в ее составе — в популяцию как генетическое образование. Особь, организменная целостность со всеми ее симбионтами и паразитами, входит в состав семьи, противостоящей другим семьям, и вместе с ними образует экологическую популяцию. Наличие таких параллелей показывает, что взаимоотношения между структурными элементами материи, особенно на биологическом уровне, могут быть весьма многообразными и не сводимыми к простой линейной иерархии. Недаром один из законов экологии гласит: «Всё связано со всем».

Органика как тип материальной системы тоже имеет несколько уровней своей организации:

1) доклеточный уровень включает в себя ДНК, РНК, нуклеиновые кислоты, белки;

2) клеточный – самостоятельно существующие одноклеточные организмы;

3) многоклеточный – органы и ткани, функциональные системы (нервная, кровеносная), организмы (растения и животные);

4) организм в целом;

5) популяции (биотоп) – сообщества особей одного вида, которые связаны общим генофондом (могут скрещиваться и производить себе подобных) стая волков в лесу, стая рыб в озере, муравейник, кустарник; биоценоз – совокупность популяций организмов, при которых продукты жизнедеятельности одних становятся условиями жизни и существования других, населяющих участок суши или воды. Например, в лесу популяции живущих в нем растений, а также животных, грибов, лишайников и микроорганизмов взаимодействуют между собой, образуя целостную систему;

6) биосфера – глобальная система жизни, та часть географической среды (нижняя часть атмосферы, верхняя часть литосферы и гидросферы), которая является средой обитания живых организмов, обеспечивая необходимые для их выживания условия (температуру, почву и т.п.) образованная в результате взаимодействия биоценозов.

Общая основа жизни на биологическом уровне – органический метаболизм (обмен веществом, энергией, информацией с окружающей средой), которая проявляется на любом из выделенных подуровней:

1) на уровне организмов обмен веществ означает ассимиляцию и диссимиляцию при посредстве внутриклеточных превращений;

2) на уровне биоценоза он состоит из цепи превращений вещества, первоначально ассимилированного органами-производителями при посредстве организмов-потребителей и организмов-разрушителей, относящимся к разным видам;

3) на уровне биосферы происходит глобальный круговорот вещества и энергии при непосредственном участии факторов космического масштаба.

В рамках биосферы начинает развиваться особый вид материальной системы, который образован благодаря способности особых популяций живых существ к труду – человеческое сообщество.

Социальная действительность включает в себя подуровни: индивид, семья, группа, коллектив, социальная группа, классы, нации, государство, система государств, общество в целом. Общество существует лишь благодаря деятельности людей. Структурный уровень социальной действительности находится в неоднозначно-линейных связях между собой (например, уровень нации и уровень государства). Переплетение разных уровней структуры общества не означает отсутствия упорядоченности и структурированности общества. В обществе можно выделить фундаментальные структуры – главные сферы общественной жизни: материально-производственную, социальную, политическую, духовную и т.д., имеющие свои законы и структуры. Все они в определенном смысле субординированы, структурированы и обусловливают генетическое единство общества в целом. Таким образом, любая из областей объективной действительности образуется из ряда специфических структурных уровней, которые находятся в строгой упорядоченности в составе той или иной области действительности. Переход от одной области к другой связан с усложнением и увеличением множества образованных факторов, обеспечивающих целостность систем, т.е. эволюция материальных систем происходит в направлении от простого к сложному, от низшего к высшему.

Структурные уровни материи.

Уровни организации естественных знаний.Наши знания о природе накапливаются и развиваются не хаотично, а в строгой последовательности, обусловленной иерархией уровней организации материи. Природа едина по своей сути и деление знаний о ней на отдельные естественные дисциплины, например, химию или физику часто бывает достаточно условным: физические идеи находят свое отражение в объяснении химических процессов, а изучение химических превращений веществ друг в друга приводят физиков к открытию новых физических закономерностей и явлений, например, открытию высокотемпературной сверхпроводимости или открытию солитонов.

Это обусловлено, прежде всего, существованием общего для химиков и физиков объекта исследования - вещества. Но есть и существенные различия между этими двумя науками: во-первых, круг объектов исследования физики по сравнению с химией более широк - от микромира до масштабов Вселенной; во-вторых, законы физики более универсальны и применимы к целому ряду природных явлений. Об этом свидетельствует развитие большого количества смежных с ней наук - физической химии, геофизики, биофизики, астрофизикии т.д. В этих науках ученые пытаются объяснить химические, биологические и все прочие природные явления и процессы с точки зрения основных физических законов.

Описанием явлений и процессов природы занимаются феноменологи­ческие науки. Целью таких знаний является описание природных явлений на макроскопическом уровне, т.е. на уровне, доступном восприятию органами чувств человека. Однако, современная экспериментальная наука, использующая разнообразные методы исследования и новейшее оборудование: электронные микроскопы, ЯМР-томографы, высокоразрешимую спектроскопическую аппаратуру, включая рентгеноспект­ральную и другие современные методы исследования, позволяет значительно углубиться внутрь изучаемого предмета – спуститься с макроуровня на микроуровни.

Существует некая иерархия знаний, когда сложные явления и процессы описываются с точки зрения более простых и знакомых. Вспомните еще раз уже известную вам схему связей физических, химических и биологических наук:

ФИЗИКА ———> ХИМИЯ ————> БИОЛОГИЯ

Но эта связь не является чисто механической, придуманной кем-то схемой, она отражает иерархию организации материи, которая действительно существует в природе:

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ ———> АТОМ ——> МОЛЕКУЛА —>

МАКРОМОЛЕКУЛА ——> НАДМОЛЕКУЛЯРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ —->

ОРГАНЕЛЛЫ КЛЕТКИ —————> ЖИВАЯ КЛЕТКА

Концепция атомизма. С момента возникновения теоретического мышления, в истории человеческих представлений о природе постоянно соперничали две концепции, два общих объяснительных подхода.

Первый из них, корпускулярный(«корпускула» означает «частица»), основан на представлении о том, что мир дискретен, и все на свете состоит из мельчайших частиц, атомов,движущихся в пустоте.

Второй подход, континуальный(«континуальный» означает «непрерывный, без разрывов или неоднородностей»), исходит из представления о том, что основой вещей является некая непрерывная, бесконечно делимая субстанция, не имеющая определенных границ и заполняющая вселенную без пустот.

Проходили века, но бездоказательный спор продолжался как с той, так и с другой стороны. Споры между атомистами и сторонниками представлений о непрерывности и бесконечной делимости материи стали одной из основных движущих сил развития картины мира. В конце концов, оказалось, что дискретность («дискретный» — прерывный, состоящий из отдельных частей) и непрерывность являются не взаимоисключающими, а взаимодополняющими атрибутами материи.

Спор между сторонниками дискретного и континуального подходов длился до начала нашего века, пока английский физик Джозефер Томсон (1856-1940) не открыл в 1897 г. простейшую элементарную частицу материи - электрон. Вскоре стало ясно, что электроны должны вылетать из атомов.

Концепция атомизма – концепция дискретного, квантованного строения материи – пронизывает естествознание на протяжении всей его истории – от античной натурфилософии Левкиппа и Демокрита до современных учений физики, химии, биологии и других наук.

Многие ведущие физики и химики даже в конце XIX в. не верили в реальность существования атомов. Еще в начале XX века выдающийся физик Эрнст Мах каждого, кто на заседании его семинара заговаривал об атомах, прерывал вопросом: «А сами-то вы видели хотя бы один атом?», давая понять, что считает их недоказанной гипотезой.

К тому же многие экспериментальные результаты химии и рассчитанные в соответствии с кинетической теорией газов данные утверждали другое понятие для мельчайших частиц – молекулы. В каком соотношении находятся между собой атомы и молекулы? Насколько те и другие малы? Действительно ли они существуют? Только в начале XX в. были получены ответы на поставленные вопросы..

Реальное существование молекул было окончательно подтверждено в 1906 г. опытами французского физика Жана Перрена (1870–1942) по изучению закономерностей броуновского движения. В современном представлении молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Число атомов в молекуле составляет от двух (Н_2, О_2, HF, НCl) до сотен и тысяч (некоторые витамины, гормоны и белки). Атомы инертных газов часто называют одноатомными молекулами. Если молекула состоит из тысяч и более повторяющихся единиц (одинаковых или близких по строению групп атомов), ее называют макромолекулой. Атом – составная часть молекулы.

Вплоть до конца XIX в. неделимость атома не вызывала серьезных возражений. Однако физические опыты конца XIX и начала XX столетий не только подвергли сомнению неделимость атома, но и доказали существование его структуры. В своих опытах в 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсоноткрыл электрон, названный позднее атомом электричества и экспериментально подтвердил наличие мельчайшей заряженной частицы электрона. Электрон входит в состав электронной оболочки атомов. В 1898 г. Томсон определил заряд электрона, а в 1903 г. предложил одну из первых моделей атома.

В 1911 г. английский физик Эрнест Резерфорд доказал, что атомы вещества действительно обладают внутренней структурой. Резерфорд предложил модель строения атома, который ранее считался мельчайшей неделимой частицей. Первой моделью строения атома стала «планетарная модель»: согласно этой модели атом уподоблялся миниатюрной солнечной системе, в которой вокруг ядра вращаются электроны. Однако, такая система была неустойчивой: вращающиеся электроны, в конце концов, должны были упасть на ядро. Но опыт показал, что атомы являются весьма устойчивыми образованиями и что для их разрушения требуются огромные силы.

В связи с этим прежняя модель строения атома впоследствии была усовершенствована датским физиком Нильсом Бором, который на основе квантовой теории предположил, что при вращении по так называемым стационарным орбитам электроны не излучают энергию (первый постулат). Энергия излучается или поглощается в виде кванта энергии при переходе электрона с одной орбиты на другую (второй постулат).

Предполагалось, что ядро атома состоит из электронов и положительно заряженных частиц, которые назвали протонами. Однако, в 1932 г.Джеймс Чэдвик обнаружил, что в ядре есть еще и другие частицы, масса которых почти равна массе протона, но которые не заряжены - нейтроны.

Характеристика элементарных частиц. Элементарные частицы, в точном значении этого термина, - это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В современном физике к группе элементарных относятся уже более 350 частиц, в основном нестабильных, и их число продолжает расти.

Все элементарные частицы имеют вращательную характеристику - спин. По вращательной характеристике все известные частицы во Вселенной можно разделить на две группы:

частицы со спином 1/2, из которых состоит любое вещество во Вселенной (нейтроны, протоны, легкие частицы -лептоны и тяжелые частицы - гипероны)

и частицы со спином 0, 1 и 2, которые создают силы, действующие между частицами вещества (фотоны и частицы под общим названием - мезоны).

Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - это способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. В квантовой механике предполагается, что все силы или взаимодействия между частицами вещества переносятся частицами с целочисленным спином, равным 0, 1, 2.

Частицы-переносчики, которыми обмениваются частицы вещества, называются виртуальными, потому что в отличие от реальных их нельзя непосредственно зарегистрировать при помощи детектора частиц. Виртуальные частицы отличаются от реальных тем, что обнаружить их во время существования невозможно. Об их существовании и свойствах можно судить только косвенно, post factum, — например, по силе переносимого ими взаимодействия. Непосредственно же зарегистрировать виртуальный фотон, например, по зрительному ощущению на сетчатке глаза, нельзя. Однако они существуют, потому что они создают эффекты, поддающиеся измерению.

Частицы вещества подчиняются принципу запрета Паули, открытому в 1925 г. австрийским физиком Вольфгангом Паули. Принцип гласит, что две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии, т.е. не могут иметь координаты и скорости, одинаковые с той точностью, которая задается принципом неопределенности. Если частицы вещества имеют очень близкие значения координат, то их скорости должны быть разными и, следовательно, они не смогут долго находиться в точках с этими координатами.