Структурные уровни организации материи

Параллельно с исследованиями квантовой природы  энергии велись исследования атомов как структурных единиц материи. В XVIII в. химик Дальтон принял атомный  вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. В XIX в. Д.И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе. В физике исследования атома начинаются с открытия явления радиоактивности (самопроизвольного превращения атомов одних элементов в атомы других) французскими физиками А. Беккерелем и Пьером и Марией Кюри. Исследование структуры атома началось в 1895 г. с открытия Дж. Томсоном электрона – отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку атом в целом электрически нейтрален, было сделано предположение о наличии в его структуре положительно заряженных частиц. В 1911 г. исследования лаборатории Э. Резерфорда позволили сделать вывод, что атом имеет структуру, напоминающую солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны.

В 1913 г. датский физик Нильс Бор, отталкиваясь от планетарной модели Резерфорда и  квантовой концепции энергии, предложил  следующую гипотезу строения атома:

В каждом атоме существует несколько стационарных состояний или орбит электронов, двигаясь по которым электрон существует, не излучая.

При переходе электрона из одного стационарного  состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

Концепция Бора позволяла объяснить устойчивость атомов и излучение ими энергии.

Дальнейшие  исследования показали, что сам электрон не является точкой. Он обладает внутренней структурой, которая может меняться в зависимости от его состояния, поэтому описать структуру атома, исходя из представлений классической механики, нельзя. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы распространены по всему атому, но в некоторых местах электронная плотность заряда больше, а в других – меньше. Кривая, связывающая точки максимальной плотности, формально называется орбитой электрона. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механистических моделей по аналогии с событиями в макромире.

Дальнейшее  развитие представлений о структуре  материи было связано с исследованиями элементарных частиц, то есть частиц, входящих в состав атома. Сейчас их известно более 350. Первоначально термин «элементарный» означал, что эти частицы являются далее неразложимыми. Сейчас уже не подлежит сомнению, что эти частицы имеют ту или иную структуру.

Элементарные  частицы участвуют во всех видах  известных взаимодействий:

Сильное взаимодействие. Происходит на уровне атомных ядер. Оно представляет собой  взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии 10-13 см.

Электромагнитное  взаимодействие. Примерно в 1000 раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Взаимодействие такого типа свойственно  электрически заряженным частицам. Носителем  электромагнитного взаимодействия является фотон – квант электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие соединяет атомные ядра и электроны в атоме и атомы в молекуле.

Слабое  взаимодействие. Действует на расстоянии порядка 10-15 – 10-22 см. Связано главным  образом с распадом частиц, например, с превращением нейтрона в протон, электрон и антинейтрино.

Гравитационное  взаимодействие. Самое слабое. В  теории элементарных частиц почти не учитывается.Но при сверхбольших энергиях тяжелые частицы могут создавать  вокруг себя заметное гравитационное поле. Гравитационные взаимодействия имеют решающее значение в космических масштабах. Радиус их действия неограничен.

  Мегамир

  Вселенную в целом изучает наука, называемая космологией. Это изучение основывается на нескольких предпосылках.

  Формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной.

  Производимые  астрономами наблюдения тоже признаются распространяемыми на всю Вселенную.

  Истинными признаются только те выводы, которые  не противоречат возможности существования самого наблюдателя, то есть человека.

  Поскольку данные космологии не могут быть подтверждены экспериментально, результаты космологических  исследований являются моделями происхождения  и развития Вселенной, а не законами. Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной расширяющейся Вселенной. В основе этой модели лежат следующие предположения.

  Свойства  Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность).

  Описанием гравитационного поля Вселенной являются уравнения Энштейна.

  Нестационарность  Вселенной определяется двумя постулатами  теории относительности: а) принципом  относительности, гласящим, что во всех инерциальных системах все законы сохраняются  вне зависимости от того, с какими скоростями равномерно и прямолинейно движутся эти системы относительно друг друга; б) экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

Из принятия теории относительности вытекало в  качестве следствия, что искривленное пространство не может быть стационарным, оно должно расширяться или сжиматься. Следствием этого является так называемое красное смещение (понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу). Для всех далеких источников света было зафиксировано красное смещение, пропорциональное расстоянию до них. Это явление было отождествлено с эффектом Доплера, что стало одним из аргументов в пользу расширения Вселенной.

Составной частью модели расширяющейся Вселенной  является представление о Большом Взрыве, произошедшем 12-18 млрд. лет назад. Начальное состояние Вселенной – это так называемая сингулярная точка. Она характеризуется следующим образом: бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц, включая фотоны и нейтрино. Эта концепция была подтверждена открытием в1965 г. реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии образования Вселенной. Современная квантовая механика допускает, что источником возникновения Вселенной мог быть вакуум. До недавнего времени считалось, что вакуум – это пустота. По современным научным представлениям это особая форма материи, в которой может образовываться поле, а из него – вещественные частицы. Это подтверждается современными физическими экспериментами. После Большого Взрыва образовался сгусток плазмы, в котором находятся элементарные частицы. Этот сгусток плазмы начал расширяться под действием взрывной волны. Первыми возникли ядра легких элементов – водорода и гелия. Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите, является самым простым составляющим элементом, из которого в недрах звезд образуются в процессе атомных реакций более сложные атомы. Чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах. Звезды класса Солнца могут производить только гелий.

Вопрос  об образовании и строении галактик. Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную сферическую, спиральную, эллиптическую, сплюснутую или неправильную форму. Галактик миллиарды и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд. Наша галактика называется Млечный Путь. Она состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры – 100 тыс. световых лет. Солнце расположено на расстоянии 30 тыс. световых лет от ее центра. Ближайшая к нашей галактика расположена на расстоянии 2 млн. световых лет и называется Туманность Андромеды (открыта в 1923 г. американским астрономом Эдвином Хабблом). В 1963 г. были открыты квазары. Это самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной, они в десятки раз меньше галактик, но в сотни раз превышают их по светимости.

Существует  две основные концепции происхождения  небесных тел.

  Небулярная  модель образования Солнечной системы. Выдвинута французским физиком  и математиком Пьером Лапласом и  развита немецким философом Иммануилом Кантом. В соответствии с ней звезды и планеты образовались из рассеянного диффузного вещества (космической пыли) путем постепенного сжатия первоначальной туманности.

  На  основании модели Большого Взрыва была сформулирована гипотеза о возникновении  галактик, звезд и планетных систем из сверхплотного дозвездного вещества, находящегося в ядрах галактик (автор гипотезы Виктор Амбарцумян).

Все небесные тела можно разделить на испускающие  энергию (звезды) и не испускающие (планеты, кометы, метеориты, космическая пыль). Энергия звезд генерируется в  их недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятков млн. градусов. Эти процессы сопровождаются выделением особых частиц огромной проницающей способности – нейтрино. Существуют звезды, у которых меняется блеск и спектр – переменные звезды и нестационарные звезды, а также звездные ассоциации, возраст которых не превышает 10 млн. лет. Существуют очень крупные звезды – красные гиганты и сверхгиганты, и нейтронные звезды, масса которых близка к массе Солнца, а радиус в 50 тыс. раз меньше солнечного. В 1967 г. были открыты пульсары – источники космического радиооптического, рентгеновского и гамма-излучения, которое периодически усиливается и ослабевает. Звезда класса Солнца в конце эволюционного цикла, когда весь водород истрачен в термоядерных реакциях, сжимается при сохранении прежней массы и превращается в белого карлика – звезду, имеющую относительно высокую поверхностную температуру и низкую светимость. Другие классы звезд – нейтронные звезды – могут превращаться в новые и сверхновые звезды, резко увеличиваясь в объеме и в течение нескольких суток излучая огромную энергию.

Солнце  – плазменный шар, имеет корону, в которой находятся факелы и  протуберанцы. Излучение Солнца –  солнечная активность – имеет  цикл 11 лет. Источником солнечной энергии  являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Математически эти реакции рассчитаны, но прямых подтверждений нет, поскольку нет данных о внутреннем строении Солнца. Возраст Солнечной системы, зафиксированный по древнейшим метеоритам, около 5 млрд. лет. Общепринята гипотеза, по которой Земля и все планеты сконденсировались из космической пыли, расположенной в окрестностях Солнца. Из гипотез происхождения Солнечной системы наиболее известна электромагнитная гипотеза шведского астрофизика Х. Альвина, усовершенствованная американцем Ф. Хойлом. Она гласит, что некогда Солнце обладало очень сильным электромагнитным полем. Туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных атомов. Под действием излучения атомы ионизировались. Ионы попадали в ловушки из магнитных силовых линий и увлекались вслед за вращающимся светилом. Постепенно Солнце теряло свой вращательный момент, передавая его газовому облаку. Для того чтобы устранить некоторые неподдающиеся объяснению факты, Хойл ввел предположение, что Солнце зародилось в недрах самой туманности, которая тоже обладала зарядом. Известна гипотеза образования планет Солнечной системы из холодного газопылевого облака, окружавшего Солнце, предложенная советским ученым О.Ю. Шмидтом.

Радиус  Земли 6,3 тыс. км, масса 6 на 1021 тонн, плотность 5,5 г/см3. Земля состоит из литосферы (земной коры), мантии и ядра. В 1908 г. ирландский ученый Д. Джоли выдвинул предположение о геологическом значении радиоактивности: количество тепла, испущенного радиоактивными элементами, вполне достаточно, чтобы объяснить существование расплавленной магмы и извержения вулканов, а также смещение континентов и горообразование. В следующем 1909 г. Вернадский основывает геохимию – науку о физико-химической эволюции Земли. В соответствии с современными взглядами температура ядра Земли может быть низкой, а процессы в земной коре имеют радиоактивную природу. Сначала Земля была холодной. Атомы радиоактивных элементов, распадаясь, выделяли тепло и недра разогревались. Это повлекло за собой выделение газов и водяных паров, которые, выходя на поверхность, положили начало воздушной оболочке и океанам. В 1915 г. немецкий геофизик А. Вегенер предположил, исходя их очертаний континентов, что в карбоне существовал единый массив суши – Пангея. Пангея раскололась на Лавразию и Гондвану, из которых уже выделились современные континенты. Решающим аргументом в пользу принятия этой концепции стало эмпирическое обнаружение в конце 50-х гг. расширения дна океанов.

   Анализ классического и современного понимания концепции макромира

В истории  изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный.

Донаучный, или натурфилософский, охватываем период oт античности до становления экспериментального естествознания в XVI—XVI1 вв. В этот период учения о природе носили чисто натурфилософский характер, наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов.

Наиболее  значимой для последующего развития естественных наук была концепция дискретного строения материи — атомизм, согласно которому все тела состоят из атомов — мельчайших в мире частиц.

Античный  атомизм был первой теоретической  программой объяснения целого как суммы отдельных составляющих его частей. Исходными началами в атомизме выступали атомы и пустота. Сущность протекания природных процессов объяснилась на основе механического взаимодействия атомов, их притяжения и отталкивания. Механическая программа описания природы, впервые выдвинутая в античном атомизме, наиболее полно реализовалась в классической механике, со становления которой начинается научный этап изучения природы.

    Поскольку современные научные представления о структурных уровнях организации материи были выработаны в ходе критического переосмысления представлений классической науки, применимых только к объектам макроуровня, то начинать исследование нужно с концепций классической физики.