3. Современная наука о строении и свойствах материи

Материя условно делится на три структурных уровня: мега- , макро- и микромир.

Мегамир - часть материального мира, в которой познание доступно астрономическому (наблюдательному и теоретическому) исследованию;

макромир - часть материального мира, в которой живет и действует человек и возможно познание путем непосредственного восприятия с помощью органов чувств человека;

микромир - часть материального мира, в которой для человека невозможно познание путем непосредственного наблюдения.

Деление мира на три структурных уровня проведено в науке для упорядочения количественных характеристик знания. Поскольку количество качественно, то с изменением его масштабов меняются и его свойства. Вместе с тем, между структурными уровнями нет жестких границ, отличия в познавательной деятельности для них чисто методологические и приборные. Следует полагать, что поскольку информационное пространство Вселенной едино, то и знания, получаемые на каждом уровне познания, объединяемы, дополняемы и взаимосвязаны.

Мегамир

Вселенную в целом изучает наука, относящаяся к естествознанию и называемая космологией (от греч. cosmos - Вселенная).

Космология - физическое учение о Вселенной как целом, основанное на результатах исследования наиболее общих свойств той части Вселенной, которая доступна для астрономических наблюдений.

Целью космологии является поиск законов устройства и функционирования нашего «большого мира» - Вселенной. Предполагается, что поскольку Вселенная едина, то открытые в космологии законы позволят многое понять на Земле. Изучение Вселенной сегодня производится исходя из трех постулатов:

• законы, открытые в физике, действуют во всей Вселенной;

• данные астрономических наблюдений с Земли справедливы для всей Вселенной;

• соблюдается антропный принцип, согласно которому устанавливается зависимость существования человека как сложной живой системы и космического существа от физических параметров Вселенной, в частности, и от фундаментальных физических постоянных, открытых на Земле.

На сегодняшний день существует несколько моделей образования Вселенной.

1. Модель Большого Взрыва. В начале ХХ века российский ученый А.А.Фридман (1888—1925) предложил модель расширяющейся Вселенной. В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл (1889—1953) от­крыл наличие так называемого красного смещения в спектрах галактик и сформулировал закон, позволяющий установить скорость движения галактик относительно Земли и расстояние до этих галактик.

В 1960 г. был получен и проанализирован спектр радиога­лактики, которая, как оказалось, удаляется от нас со скоростью 138 тысяч километров в секунду и находится на расстоянии 5 миллиардов световых лет. Изучение галактик привело к вы­воду о том, что мы живем в мире разбегающихся галактик. Данная модель выделяет свойства Вселенной: однородность (свойства одинаковы во всех точках), изотропность (свойства одинаковы во всех направлениях), горячая, расширяющаяся, скорость света в модели принята неизменной.

Согласно этой модели, в расширяющейся Вселенной на ранней стадии ее развития и вещество, и излучение имели очень высокую температуру и плотность. Расширение в результате Большого Взрыва привело к постепенному охлаждению, образованию атомов, а затем, в результате гравитационной конденсации (уплотнения, сгущения) образовались протогалактики (первичные галактики, т.е. образовалась непрерывно-дискретная форма существования материи), галактики (галактика - звездная система), звезды (светящиеся газо-плазменные шары, подобные Солнцу) и др. космические тела.

Сегодня модель, основанная на теории Большого взрыва, выглядит следующим образом:

Событие Космическое время

1. Большой взрыв - начало вечного расширения

Вселенной 0 (10-18 млрд.лет назад)

в бесконечное пространство

2. Аннигиляция протон-антипротонных пар, аннигиляция 1 с (после Б.взрыва)

электрон-позитронных пар

3. Ядерный синтез гелия и дейтерия 1 мин.

4. Возникновение вещества во Вселенной 10 тыс. лет

5. Образование галактик 1-2 млрд. лет

(10 млрд. лет назад)

(наша Галактика называется Млечным путем и состоит из 150 млрд. звезд, ее размеры -100 тыс. световых лет; в настоящее время мы наблюдаем 10¹¹ галактик, среди них туманность Андромеды - ближайшая к нам, Магеллановы Облака, Кассиопея, Лебедь и Центавра с числом "ярких" звезд более 150, Большая и Малая Медведицы и т.д.)

6. Сжатие протогалактик, образование звезд 4 млрд. лет

7. Образование Солнечной системы 15 млрд. лет

(5 млрд. лет назад)

8. Образование Земли 16 млрд. лет

(4,7 млрд. лет назад)

9. Зарождение микроорганизмов 17 млрд. лет

(сине-зел. водоросли) (3 млрд.лет назад)

10. Появление клеток с ядром (амебы, инфузории) 700 млн.лет назад

11. Появление многоклеточных организмов, 350 млн.лет назад

накопление кислорода, распространение растительности.

12. Морской планктон и рыбы (возрастание сложности) 250 млн.лет назад

13. Первые млекопитающие, птицы, хвойные растения 185 млн.лет назад

14. Первые обезьяночеловеки 500 тыс.лет назад

15. Неандерталец 200 тыс.лет назад

16. Человек разумный 40 тыс.лет назад

Проблемы теории Большого Взрыва

1. Что было до Большого Взрыва?

2. Возможно ли возвращение мира в исходное состояние?

2 вариант. Вселенная в целом, возможно, вообще не имела первоначальной космогонической сингулярности (не было происхождения Вселенной в традиционном смысле). Известный физик А.Д. Линде в книге "Физика элементарных частиц и инфляционная космология" (М., 1990. С. 35) писал: "…Мы имеем дело с нескончаемым процессом взаимопревращения фаз, в которых малы или наоборот велики квантовые флюктуации метрики". Возможно, Вселенная имеет ячеистую структуру, как соты. Какие-либо изменения в одной ячейке не могут уничтожить или создать Вселенную. Вселенная вечна.

Макромир

Познание на уровне макромира как бы выделяет из природы то окружение, которое находится в непосредственном контакте с человеком. Именно этот практический контакт с природой прежде всего определяет мировоззрение человека, его систему взглядов на мир и собственное место в мире.

Микромир

Конец XIX — начало XX в. стал временем крутой ломки пред­ставлений о мире — временем, когда была преодолена меха­нистическая картина мира, господствовавшая в естествозна­нии в течение двух столетий.

Одним из важнейших событий в науке стало открытие анг­лийским физиком Дж. Томсоном (1856—1940) электрона — первой внутриатомной частицы с массой более чем в 1800 раз меньше, чем масса самого легкого атома, атома во­дорода. Открытие такой маленькой частицы означало, что «не­делимый» атом не может рассматриваться в качестве послед­него «кирпичика мироздания».

Первая модель атома, созданная Томсоном, получила шутливое название «пудинг с изюмом». Пудингу соответствовала большая, массивная, положительно заряженная часть атома, тогда как изюму — мелкие, отрицательно заряженные частицы — элек­троны, которые, согласно закону Кулона, удерживались на по­верхности «пудинга» электрическими силами. Вскоре ее вытеснила модель, соответствовавшая новым экспериментальным данным. Это — планетарная мо­дель Э. Резерфорда (1871—1937). Ядро и электроны, так же как звезды и планеты в Космосе, занимают ничтожную часть объема. Масштабные соотношения геометрии атома можно представить, например, так: две миллиметровые булавочные головки, одна из которых играет роль ядра, а другая электрона следует разнести на расстояние примерно в 100 м. Таким образом, большая часть вещества в атоме сосредоточена в микроскопических сгустках, разделенных огромными расстояниями: в веществе в обширном пустом пространстве между очень тяжелыми ядрами двигаются легкие электроны, составляя электронные квантовые оболочки атомов, определяющие материальные свойства тел и обеспечивающие необходимые связи при образовании молекул и молекулярных структур.

В 1911 г. Резерфорд открыл атомное ядро. В 1919 г. он подверг бомбардировке альфа-частицами азот и открыл новую внутриатомную частицу, ядро атома водорода, которую он на­звал "протоном".

Физика вступила в новый мир — мир атомных частиц, процессов, отношений. И сразу же обнаружилось, что законы этого мира существенно отличаются от законов привы­чного нам макромира. Для того чтобы построить модель атома водорода, пришлись создавать новую физическую теорию — квантовую механику. Отметим, что за короткий исторический срок физики обнаружили большое количество микрочастиц. К 1974 г. их стало чуть ли не вдвое больше, чем химических эле­ментов в периодической системе Менделеева.

В поисках основ классификации такого большого количест­ва микрочастиц физики обратились к гипотезе, согласно кото­рой многообразие микрочастиц может быть объяснено, если предположить существование новых, субъядерных частиц, различные комбинации которых выступают как известные микрочастицы. Возникла гипотеза о существовании кварков. Ее высказали почти одновременно и независимо друг от друга в 1963 г. физики-теоретики М. Гелл-Ман и Г. Цвейг.

Одна из необычных особенностей кварков должна состоять в том, что у них будет дробный (если сравнивать с электроном и протоном) электрический заряд: или -1/3 или +2/3. Положительный заряд протона и нулевой заряд нейтрона легко объяс­нимы кварковым составом этих частиц. Правда, следует заметить, что физикам не удалось ни в эксперименте, ни в наблюде­ниях (в частности, и в астрономических) обнаружить отдельные кварки. Пришлось разрабатывать теорию, объясняющую, по­чему сейчас существование кварков вне адронов невозможно.

Мечта человечества "найти элементарные частицы - частицы неделимые и составляющие первооснову материи" на сегодняшний день привела ученых к следующему заключению: вещество состоит из молекул, молекулы из атомов, атомы из электронов и адронов, адроны состоят либо из трех, либо из двух кварков; электроны и кварки – не имеют структур. Все частицы, составляющие атом, представляют собой динамические структуры, имеющиеся скорости, близкие к скорости света. Эти динамические структуры существуют не в виде самостоятельных единиц, а в виде неотъемлемых компонентов непрерывной сети частиц и античастиц, в которой происходят их взаимодействия со взаимопревращением частиц, рождением новых, аннигиляцией (уничтожением) старых частиц в непрерывных полях. Устойчивыми частицами в атомах являются только четыре: электрон, протон, нейтрон и фотон. Все остальные существуют как бы виртуально, возникая из поля, заполняющего физический вакуум, и превращаясь в поле. Т.о., материя существует в двух основных формах: вещество и поле.

В соответствии с представлениями, принятыми для субатомного мира, бессмысленны такие понятия, как "элементарная частица", "материальная субстанция" и "изолированный объект". Вселенная сегодня должна представляться как подвижная сеть связанных энергетических процессов. Квантовая теория утверждает, что частицы в атоме - это не трехмерные объекты, похожие на бильярдные шары, а четырехмерные динамические структуры в пространстве и времени. Пространственный аспект придает им характеристики объектов, а временной - характеристики энергетических процессов.

Эти динамические структуры можно представить в виде силового (энергетического) поля, заполняющего внутренний объем атома, включая область физического вакуума. Таким образом, атом - часть пространства, в котором постоянно пульсируют силовые поля с рождением и аннигиляцией устойчивых и виртуальных субатомных частиц. У этого процесса красивое название - "танец энергии". Причем энергии, участвующие в подобном танце, столь велики, что и при описании мегамира. В субатомном мире, как и везде во Вселенной, действуют фундаментальные принципы симметрии и законы сохранения энергии, массы, заряда, импульса.

В природе лишь немногие атомы существуют поодиночке. Они вступают в химические реакции, образуя молекулы, в которых электроны обобществлены и атомы теряют свою "химическую индивидуальность", переходя в состав молекул. Молекулы, в свою очередь, объединяясь, образуют вещества в виде физических тел. Свойства веществ зависят от одномерных параметров соединенных молекул (длина химических связей, величины углов между цепочками молекул) и от многомерных параметров (например, известны циклические и нециклические соединения).