ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПОНЯТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

В процессе развития естествознания и взаимодействия его с философией и иными областями познания сложился ряд понятий, которые считаются фундаментальными: материя, отражение, взаимодействие, движение, пространство, время и другие.

1. Материя и формы ее существования: вещество и поле

В рамках современных научных представлений материя(лат. materia) есть основа всего множества существующих в мире объектов и систем, всех их свойств, связей и форм. Через нее проявляется родство всего сущего. В философии это одна из основополагающих категорий, которая используется для обозначения «объективной реальности, которая .... отображается нашими ощущениями, существует независимо от них» (В. Ленин).

Материя - это объективная реальность, данная нам в ощущениях и существующая независимо от них.

Важнейшими свойствами материи, которые появились на определенном этапе ее эволюции и которые проявляются лишь у самой высокоорганизованной ее части - человека, являются разум и сознание. На протяжении всего культурно-исторического развития не утихают споры о том, что первично: материя или сознание. Наука считает первичной материю, как первопричину всего сущеcтвующего.

Материя пребывает в виде прерывных(вещества) и непрерывных (полей разной природы) объектов. Из вещества сложены все тела природы. Оно представляет совокупность дискретных (лат. discretus - разделенный, прерывистый) образований, сосредоточенных в определенной области пространства. Их элементарными структурными единицами являются атомы и молекулы, которые представляют системы взаимодействующих электронов, протонов, нейтронов и других элементарных частиц.

Современной наукой достаточно хорошо изучены три агрегатных состояния (фазы) вещества - твердое, жидкое и газообразное. При определенных условиях (температура, давление, напряженность электрического поля) одно состояние может переходить в другое. В результате фазового перехода изменяются механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические и другие свойства вещества. Это связано с изменением характера взаимодействия и движения атомов, молекул и других частиц, из которых состоит вещество. Особое состояние вещества представляет плазма - ионизованный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны. В плазменном состоянии находится бо¢льшая часть вещества Вселенной (звезды, туманности, межзвездная среда).

Сами тела или их части являются источникомфундаментальных полей - непрерывных и безграничных объектов, которые пронизывают все пространство Вселенной и способны воздействовать на другие, идентичные им объекты (или передавать взаимодействие тел на расстоянии). Слово «поле» широко используется в разных отраслях знаний и понимается как совокупность точек реального или воображаемого пространства, объединенных в целое на основе какого-либо их общего свойства. Например, поле рациональных чисел в математике, семантические поля в языке, поля температур, деформаций и скоростей в физике. К фундаментальным физическим полям, проявляющимся в той или иной степени во всех явлениях и процессах природы, относят гравитационное, электромагнитное, сильное (ядерное) и слабое (распадное).

Наличие поля связывают со свойством материи, которое называют заряд. Каждый носитель материи в общем случае является обладателем (источником) нескольких типов зарядов. В качестве таковых выступают хорошо известные из школьного курса физики масса и электрический заряд. Масса является эквивалентом(лат. aequivalens - равноценный) гравитационного заряда. С одной стороны, она проявляется в способности тел создавать вокруг себя гравитационное полеи через него воздействовать на другие тела, притягивать их к себе, а с другой - проявляется в инерции, стремлении тел сохранять свое состояние. Электрический заряд создает вокруг себя электромагнитное поле и через него взаимодействует с другими электрическими зарядами, притягивая или отталкивая их в зависимости от знака последних. Каждый из видов заряда является источником соответствующего поля. Но при этом взаимодействуют между собой только однотипные заряды. Поля имеют волновую природу. Их носителями являются элементарные кванты энергии и соответствующие им элементарные частицы. Само взаимодействие материальных объектов представляет собой процесс обмена элементарными квантами.

Гравитационное поле является определяющим во всех явлениях мегамира. Его носителем является гравитон (который ввиду его малости и несовершенства измерительной аппаратуры пока не удалось обнаружить). Благодаря гравитации Вселенная, галактики, планетарные системы существуют как единое целое, планеты Солнечной системы удерживаются на своих орбитах, воздушная оболочка Земли сосредотачивается вблизи ее поверхности. Гравитационное сжатие звезд обеспечивает повышение их температуры до нескольких тысяч градусов и выше. При таких температурах в их недрах активно протекают термоядерные реакции, благодаря которым в околозвездное пространство поступают огромные потоки энергии.

Электромагнитное поле является определяющим в молекулярных и атомных системах, обеспечивая их целостность, химические и физические свойства. Это поле является основным переносчиком энергии и информации в мега- и макромире. Его носителем является фотон. Сильное поле удерживает нуклоны в ядрах атомов и обеспечивает целостность этих систем, а также протекание сильных внутриядерных процессов, которые могут сопровождаться выделением огромных энергий. Слабые поля проявляются на микроуровне при протекании таких процессов, как b- распад. Их носителями являются глюоны, которые в свободном виде пока не удалось обнаружить, однако есть косвенные доказательства их существования на промежуточных стадиях превращения тяжелых элементарных частиц.

Деление материи на вещество и поле чрезвычайно важно. Это помогает при изучении одной из форм абстрагироваться от другой и более детально изучить их свойства по отдельности. Но это деление весьма условно, особенно если это касается мира элементарных частиц, где наиболее ярко проявляется их взаимопревращаемость, а разделение вещества и поля вообще теряет смысл. Кроме того, во всем пространстве существования материи на долю поля приходится гораздо больший объем, чем на собственно вещество. Сегодня ученые выдвигают гипотезу о существовании физического (или динамического) вакуума - как некой праматерии, в которой вещество и поле составляют единство, из которого рождаются как частицы, так и поля.

2. Атрибуты материи: отражение и движение

Важнейшим свойством материи является отражение. Это - ее атрибут (лат. atributio - придаю, наделяю) - неотъемлемое и всеобщее свойство.

Отражение проявляется в способности материальных явлений, предметов и систем взаимодействовать друг с другом, каким-то образом проявлять себя по отношению к другим, вступать с ними в определенные отношения, воспроизводить в себе особенности объектов, с которыми осуществляется взаимодействие, и сохранять их «следы».

Объекты разной структурной организации по-разному отражают явления окружающего мира. Неживым объектам присуще «простое» отражение. Например, при столкновении пластилиновых шариков происходит их деформация, исследуя которую можно сделать вывод о параметрах столкновения. Живые объекты обладают «опережающим» отражением, то есть способны запоминать следы былых взаимодействий, при аналогично складывающихся обстоятельствах как бы заранее готовиться к ожидаемым воздействиям и адаптироваться(лат. adaptatio - приспособление)к ним. Например, деревья и животные заранее готовятся к холодному времени года. У человека опережающее отражение проявляется в способности моделировать ситуацию, прогнозировать возможные ее исходы, принимать оптимальные решения, планировать свою деятельность.

В окружающем мире все взаимодействует со всем. Классическая наука акцентирует внимание на двух механизмах взаимодействия: дальнодействие, которое осуществляется мгновенно посредством некой упругой среды - эфира - между удаленными телами (Ньютон); близкодействие, которое передается полем от точки к точке, непрерывно, с конечной скоростью (Фарадей).

Современной науке известны четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное (одноименных с названием соответствующих полей). Для двух протонов в ядре атома интенсивности этих взаимодействий относятся как 1: 10^-2: 10^-10: 10^-38.

Сила гравитационного взаимодействия определяется законом всемирного тяготения. Оно является универсальным, ему подвержены все без исключения тела природы, в том числе и микрочастицы. Но, так как последние имеют ничтожно малые массы, гравитационные взаимодействия в микромире существенной роли не играют. Несмотря на то, что это взаимодействие изучается давно, до сих пор нет однозначного ответа на вопрос, какова природа гравитации, каков «передаточный» механизм тяготения.

Электромагнитное взаимодействие описывают закон Кулона, закон взаимодействия токов, закон электромагнитной индукции. В электромагнитных взаимодействиях участвуют все объекты, имеющие электрический заряд. Переносчиком этих взаимодействий являются фотоны - кванты электромагнитного поля. Это взаимодействие в ~ 10³⁶ раз мощнее гравитационных и в явлениях микромира уже играет существенную роль. Радиус действия как гравитационных, так и электромагнитных взаимодействий бесконечно большой, силы взаимодействия обратно пропорциональны квадратам расстояний между взаимодействующими объектами.

Сильное или ядерное взаимодействие обуславливает связь нуклонов в ядре. Это взаимодействие короткоживущее, проявляется на расстояниях ~ 10^{-15 м. Энергия его в 137 раз больше энергии кулоновского взаимодействия.}

В слабом или распадном взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотонов. Радиус действия слабых взаимодействий - 10^-18м.

Взаимодействие - это процесс взаимного влияния объектов или систем друг на друга путем передачи (переноса) вещества, энергии и информации, это то, что заставляет мир и отдельные его объекты изменяться, обуславливает взаимосвязь процессов и явлений, определяет существование и структурную организацию любой материальной системы, выступает как объективная и универсальная причина движения материи. Количественной мерой взаимодействия является сила.

Окружающий нас мир динамичен, в нем нет ничего неизменного. Всякий раз во всем мы замечаем что-то новое - неповторимо каждое мгновение нашей жизни, нельзя вернуться в прошлое и точно так же повторить свой жизненный путь. Все необратимо. Любое изменение - перемещение ли тел в пространстве, изменение ли внутренней структуры систем, рост или развитие организмов и есть движение.Оно, как и отражение, - атрибут материи. Движение абсолютно (лат. absolutus - неограниченный, существующий всегда) и вечно, покой относителен.

И в то же время в изменяющемся мире наряду с появлением нового повторяется что-то старое. В этом большом круговороте событий небесные светила периодически занимают отведенные им на небосводе места, чередуются времена года, из года в год весной все живое просыпается от зимней спячки, каждый день, по известному распорядку, восходит и заходит cолнце, на смену ночи приходит день, на смену отмершим деревьям вырастают молодые, дети заменяют своих родителей. Но это постоянство относительно, оно является лишь частью или каким-то этапом изменения.

Но что движет миром? Должны же быть причины этих изменений. Что заставляет Землю вращаться вокруг своей оси, планеты - вокруг Солнца, протекать химические реакции, расти кристаллы или организмы? - Это энергия (греч. еnergeia - действие, деятельность). Источник ее - сама материя. Она является свойством материи, отражает степень воздействия одних тел на другие и проявляется в их способности совершать работу. Переданная телу энергия, совершаемая над ним работа или приложенная к нему сила определяют такие важные показатели движения, как ускорение и скорость.

Взаимодействие и движение обуславливают изменчивость мира, его подвижность и процессуальность (лат. processus - продвижение).