3.3. Концепция атомизма. Дискретность

И НЕПРЕРЫВНОСТЬ МАТЕРИИ

Строение материи интересует естествоиспытателей еще с античных

времен. В Древней Греции обсуждались две противоположные гипотезы

строения материальных тел. Одну из них предложил древнегреческий

мыслитель Аристотель (384—322 до н.э.). Она заключается в том, что ве-

щество делится на более мелкие частицы и нет предела его делимости. По

существу, эта гипотеза означает непрерывность вещества. Другая гипоте-

за выдвинута древнегреческим философом Левкиппом (V в. до н.э.) и раз-

вита его учеником Демокритом, а затем его последователем филосо-

фом-материалистом Эпикуром (341—270 до н.э.). В ней предполагалось,

что вещество состоит из мельчайших частиц — атомов. Это и есть кон-

цепция атомизма — концепция дискретного квантового строения мате-

рии. По Демокриту, в природе существуют только атомы и пустота. Ато-

мы — неделимые, вечные, неразрушимые элементы материи.

Реальность существования атомов вплоть до конца XIX в. подверга-

лась сомнению. В то время объяснения многих химических реакций не

нуждались в понятии атома. Для них, как и для количественного описа-

ния движения частиц, вводилось другое понятие — молекула. Существо-

вание молекул экспериментально доказал французский физик Жан Пер-

рен (1870—1942) при наблюдении броуновского движения. Молеку-

ла — наименьшая частица вещества, обладающая его основными хими-

108

ческими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой

химическими связями. Число атомов в молекуле — от двух (Н2, О2, HF,

КСl и др.) до сотен, тысяч и миллионов (витамины, гормоны, белки, нук-

леиновые кислоты).

Неделимость атома как составной части молекулы долгое время не

вызывала сомнений. Однако к началу XX в. физические опыты показали,

что атомы состоят из более мелких частиц. Так, в 1897 г. английский фи-

зик Д. Томсон (1856—1940) открыл электрон — составную часть атома.

В следующем году он определил отношение его заряда к массе, а в 1903 г.

предложил одну из первых моделей атома.

Атомы химических элементов по сравнению с наблюдаемыми телами

очень малы: их размер — от 10-10 до 10-9 м, а масса — 10-27 — 10-25 кг.

Они имеют сложную структуру и состоят из ядер и электронов. В резуль-

тате дальнейших исследований выяснилось, что и ядра атомов состоят из

протонов и нейтронов, т.е. имеют дискретное строение. Это означает, что

концепция атомизма для ядер характеризует структуру материи на ее ну-

клонном уровне.

В настоящее время принято считать, что не только вещество, но и

другие виды материи — физическое поле и физический вакуум — имеют

дискретную структуру. Даже пространство и время, согласно квантовой

теории поля, в сверхмалых масштабах образуют хаотически меняющую-

ся пространственно-временную среду с ячейками размером 10-35 м и вре-

менем 10-43 с. Квантовые ячейки настолько малы, что их можно не учиты-

вать при описании свойств атомов, нуклонов и т.п., считая пространство и

время непрерывными.

Основной вид материи — вещество, находящееся в твердом и жид-

ком состояниях, — воспринимается обычно как непрерывная, сплошная

среда. Для анализа и описания свойств такого вещества в большинстве

случаев учитывается только его непрерывность. Однако то же вещество

при объяснении тепловых явлений, химических связей, электромагнит-

ного излучения и т.п. рассматривается как дискретная среда, состоящая

из взаимодействующих между собой атомов и молекул.

Дискретность и непрерывность присущи и другому виду мате-

рии — физическому полю. Гравитационное, электрическое, магнитное и

другие поля при решении многих физических задач принято считать не-

прерывными. Однако в квантовой теории поля предполагается, что физи-

ческие поля дискретны.

Для одних и тех же видов материи характерна и непрерывность, и

дискретность. Для классического описания природных явлений и свойств

материальных объектов достаточно учитывать непрерывные свойства

109

материи, а для характеристики различных микропроцессов — ее дис-

кретные свойства. Непрерывность и дискретность — неотъемлемые

свойства материи.