4. Структурные уровни организации материи

4.1. Типы материальных систем

Исследование Мира и его объектов приводит к выводу о том, что характерной чертой материи является ее структура. И одна из задач познания состоит в изучении этой структуры. Другая задача познания состоит в ответе на вопрос: «Как из низших элементов создается все многообразие элементов природы»? В настоящее время принято, что наиболее естественным и наглядным признаком структуры материи является характерный размер объекта на данном уровне и его масса.

Наряду со структурностью неотъемлемым свойством материи является ее системность. Применяя системный метод, естествознание делит все многообразие известных человечеству объектов и свойственных им явлений на три качественно разные области – микро-, макро-, и мегамиры (рис. 1).

Окружающий мир

Микромир

Макромир

Мегамир

Вакуум

Элементарные частицы

Ядра

Атомы

Молекулы

Клетки

Макротела

(вещество)

Индивид

Вид

Популяция

Сообщество

Биосфера

Планета

Звезда

Галактики

Метагалактика

Вселенная

Рис. 1. Структурное строение мира

К оглавлению

Микромир– мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность (r) которых исчисляется от 10^-18до 10^-10м, массой (m) не более 10^-10кг и временем жизни от бесконечности до 10^-24с. Сюда относятся фундаментальные и элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Макромирпредставлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях (твердом, жидком, газообразном), живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности, т. е. макротелами (r= 10^-10-10⁷м ,m= 10^-10-10²⁰кг). Пространственные величины в макромире выражаются в миллиметрах, сантиметрах, метрах и километрах, а время – в секундах, минутах, часах, годах.

Наиболее крупные объекты (планеты, звезды, галактики и их скопления, т. е. Вселенная в целом) образуют мегамир(r10⁷м,m10²⁰кг). Расстояние в мегамире измеряется световыми годами (расстояние, которое проходит свет со скоростью 300000 км/с в течение одного года, 1св.г. = 9,4610¹⁵м), астрономическими единицами (а.е.) – это среднее расстояние от Земли до Солнца (1а.е. = 1,510¹¹м). Время существования космических объектов измеряют миллионами и миллиардами лет.

Исследуемый современной наукой мир охватывает огромный диапазон расстояний. В этих рамках микромир выделяется, прежде всего, как объект квантовой механики, макромир – как объект классической механики, мегамир – как объект релятивистской механики.

И хотя на указанных уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.

4.2. Микромир: концепции современной физики

В конце XIX–начале ХХ вв. физика вышла на уровень исследования микромира и была создана новая физическая теория, описывающая состояние и движение микрообъектов – квантовая механика. В основе квантовой механики лежат фундаментальные идеи о квантовании физических величин и корпускулярно-волновом дуализме.

Идея квантования сформировалась на основе ряда открытий в конце XIX–начале ХХ вв. Коротко остановимся на главных из них. В 1897 г. Дж. Томсон открыл электрон. Его заряд оказался элементарным, т.е. самым наименьшим, существующим в природе в свободном состоянии. Заряд любого тела равен целому числу элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд дискретен.

К оглавлению

В 1900 г. немецкий ученый М. Планк предложил гипотезу: электромагнитное излучение испускается отдельными порциями – квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения. Его гипотеза стала началом новой квантовой физики. Согласно этим представлениям, энергия квантаЕ = h,где– частота,h – постоянная Планка. По современным даннымh= 6,62610^-34Джс.

Открытый Дж. Томсоном электрон был первой частицей, входящей в состав атома и свидетельствующей о его сложном строении. Естественно возник вопрос о строении атома. Появились теории Томсона (1903 г.), Резерфорда (1911 г.), Н. Бора (1913 г.), но все они обладали недостатками, которые смогла преодолеть квантовая механика, созданная в 1924–1927 гг.

Корпускулярно-волновой дуализмбыл открыт сначала для света. В опытах со светом было неопровержимо доказано, что свет обладает как волновыми (интерференция, дифракция и дисперсия), так и корпускулярными (фотоэффект, люминесценция) свойствами. Так, физика ХХ века открыла диалектическое единство двух классических противоположностей – частицы и волны.

В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул смелую гипотезу – корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т. е. все частицы, имеющие конечный импульс (Р), обладают волновыми свойствами. Так, появилась формула де Бройля: = h/mV, гдеm– масса частицы,V– скорость,– длина волны, связанная с данной частицей. В 1927 г. гипотеза и формула де Бройля были подтверждены экспериментально в результате открытия дифракции электронов. В дальнейшем была исследована дифракция нейтронов, атомов и молекул.

По современным воззрениям, квантовый объект – это не частица и не волна, и даже не то и не другое одновременно. Эти свойства являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, но они оба в равной мере характеризуют микрообъект, а потому не противоречат, а дополняют друг друга. Эта идея и была высказана Н. Бором и положена им в основу важнейшего методологического принципа современной науки – принципа дополнительности.

Принцип дополнительностикак общий принцип познания может быть сформулирован следующим образом: всякое истинно глубокое явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих, дополнительных понятий. К числу таких явлений относятся квантовые явления, жизнь и др.

К оглавлению

С принципом дополнительности связано и так называемое «соотношение неопределенностей», сформулированное в 1927 г. В. Гейзенбергом. Он показал, что эти неопределенности (неточности) в значениях координаты (х) и импульса (Р_х) удовлетворяют следующему соотношению: х Р_х  h.

Это соотношение утверждает, что (в отличие от классической физики) никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра – координату и скорость. Никогда нельзя одновременно знать, где находится частица, как быстро и в каком направлении она движется.

Элементарные частицы принято делить на три группы: фотоны, лептоны и адроны. Общее количество известных частиц и античастиц составляет несколько сотен. Для всех типов взаимодействий элементарных частиц выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда.

Элементарные частицы – это такие частицы, которые способны к взаимным превращениям, но по своему внутреннему строению не являются простым объединением других известных нам частиц.

Из такого понимания элементарности частиц следует, что все частицы состоят из чего-то единого, из какой-то первоматерии. На вопросы: «Дискретна или непрерывна она, как ее свойствами можно объяснить известные свойства элементарных частиц?» – должна ответить наука будущего.

Попытки найти «самые элементарные» частицы привели к гипотезе кварков Гелл-Мана и Цвейга, выдвинутой ими в 1964 г.

В настоящее время экспериментально подтверждено, что в основе всего Мироздания лежат только двенадцать частиц.

Стандартная модель частиц состоит из 6 кварков (верхний – U, очарованный – С, истинный – Т, нижний – d, странный – S, красивый – Б) и 6 лептонов (электрон – е, мюон – , таон – , электронное нейтрино – _е, мюонное нейтрино – _м и тао-нейтрино _), а соединяют их переносчики взаимодействий: электромагнитного – -фотоны, сильного – g-глюоны, слабое взаимодействие между частицами осуществляют так называемые W- и Z-бозоны. Гравитационное взаимодействие в процессах микромира практически не участвует ввиду малой величины.

Как видно, физика элементарных частиц имеет значительные успехи, хотя пока и не дает полного понимания микромира на единой основе. Это понимание может быть дано новой физической теорией, которая с единых позиций сумеет объяснить 4 типа взаимодействий, существование частиц и полей.

К оглавлению