ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И
§4. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ НАУЧНОЙ КАРТИНЫМИРА
1. Порядок и беспорядок в природе. Хаос. Энергия и энтропия.
2. Структурные уровни организации материи. Микро-, макро-, мегамиры.
3. Пространство, время.
4.1. Порядок и беспорядок в природе. Хаос.
Энергия и энтропия
В переводе с греческого хаос (chaos) означает бесформенное состояние, бесконечное пространство. В досократовской философии хаос — это начало и конец всякого бытия, принцип универсального порождения и всевмещающего поглощения.
Впечатляет первое историческое описание хаоса— сказание о Всемирном потопе. Воды хлынули из-под земли, вздувшись до горных вершин. Разрушительный ливень, буря, смерч, гроза, т.е. великая катастрофа, уничтожившая почти весь человеческий род. Эта история очень широко распространена по всему миру.
У Еврипида хаос — это пространство между небом и землей. Впоследствии хаос начинает пониматься как беспорядочное первозданное состояние элементов, но с присоединением творчески оформляющего начала.
У неоплатоников хаос выступает в качестве начала, производящего разъединение и становление в мире.
Хаос наделен формообразующей силой не только в представлениях античного мира. Уже Левкипп и Демокрит впускают в свою космогоническую теорию беспорядочное движение атомов, вихри и всеобщее рассеяние вещества.
Хаос как беспорядочное буйство стихий все раскрывает, всему дает возможность выйти наружу. В этом качестве он выступает как основа мировой жизни, как нечто живое, животворное.
Итак, хаос совмещает в себе принципы универсального порождения и универсального поглощения.
Человечеством давно предпринимались попытки отражения понятия хаоса. Прежде всего, эти попытки воплощены в мифах. С помощью мифологии человечество стремилось компенсировать фундаментальную потребность всего живого к понижению меры хаоса. Зло и мрак, хаос и бездна противопоставляются всеобщей гармонии и мыслятся изначально как чуждые.
Хаос — широко распространенное нелинейное явление, которое встречается во всех дисциплинах. Это реальное устойчивое явление. Наверняка, многие исследователи обращали свой взор на хаос, приняв его за шум. Однако хаос возникает не только в искусственных системах, но и в любых системах, в том числе и в живых, где встречается нелинейность.
Проявление хаоса разнообразно. Это турбулентные клубы сигаретного дыма; водный след за судном на подводных крыльях; вихреобразное образование по ходу плывущего судна; “штопор” самолета при выходе из “пике”, внезапная потеря управления космическим кораблем; неожиданная выдача ЭВМогромного потока случайных данных; разрушительное действие компьютерного вируса; возникновение фибрилляции сердца у больного; случайное перемещение магнитных полюсов Земли за последнее тысячелетие.
Хаос — это события, способные приводить к катастрофам. Потеря устойчивости рождает турбулентность. Не случайно в восточной философии распространен графический образ хаоса в виде завихрений. Вихреобразные рисунки и аналогичная символика на японских кимоно, — наиболее узнаваемые признаки восточной символики, интуитивно навевающие образ хаоса. Возникающий материальный мир дает начало всем вещам в природе.
Сообщения о тех или иных проявлениях хаоса встречаются почти во всех научных дисциплинах: астрономии, физике, биологии, биофизике, химии, геологии, медицине, математике, теории плазмы, общественных науках и т.д.
В теории хаоса он представляет собой довольно необычную форму поведения какой-либо системы в уравновешенном состоянии. Характер системы оказывается настолько чувствительным к начальным условиям, что долговременное прогнозирование поведения становится невозможным.
Новая наука — синергетика, делает своим предметом выявление наиболее общих закономерностей спонтанного структурирования.
Социологизация понятий порядка и хаоса
Современная ситуация в мире характеризуется резко обострившимися процессами хаотизации, поглотившими столь желанную упорядоченность. На хаос бытовой, проявляющийся в проявлении множества интересов, создающий неопределенность в экономике, накладывается хаос, связанный с конфликтом мира естественного и искусственного. ХХ в. можно назвать катастрофичным. Это хаос крупноисторического масштаба: первая мировая война, революция, вторая мировая и Отечественная войны, крушение политических режимов стран Восточной Европы, афганская и чеченская войны...
Социологизация понятий порядка и хаоса имели своим следствием принципиально отрицательные отношения к хаосогенным структурам и полное принятие упорядоченных. С новой силой прозвучал древнекитайский вывод из книги ”Дао-дэ цзин”: “Непочитание мудрости, назначение на должность неспособных — в результате хаос в стране”. Распространился призыв к тому, чтобы сильная рука приостановила сползание к хаосу. Хаос отождествлялся с беспорядком и отражал такое состояние общественной системы, когда функционирование ее рассогласованных элементов было сопряжено с появлением предсказуемых последствий, вело к деградации и распаду.
Понятная и оправданная человечеством позиция абсолютности искажает картину мира. Она вступает в конфликт с естествознанием, которое представляет процесс развития как взаимосвязь структурирования и хаотизации. Она несовместима с видением мира, учитывающим не только особенности структурогенеза, но и разупорядочивания. Социологизация категорий порядка и хаоса, выявляющая исключительно предпочтение порядку и негативное отношение к хаосу, шла вразрез с глубоко философской традицией.
Причины хаоса
Можно выделить ряд причин и обстоятельств, в результате которых происходит потеря устойчивости и переход к хаосу. К их числу относятся:
1. “Шумы”, внешние помехи, возмущающие факторы.
2. Наличие большого числа степеней свободы, которыми обладает система в процессе своего функционирования. Она реализует совершенно случайные последовательности.
3. Сложная организация системы.
4. “Эффект бабочки”, заключающийся в чрезвычайной чувствительности нелинейных систем к начальным условиям и обладают свойством разведения первоначально близких траекторий. Примером такой причины хаоса может служить выражение “попасть под горячую руку” или шуточная английская песенка:
Не было гвоздя — подкова пропала.
Не было подковы — лошадь захромала.
Лошадь захромала — командир убит,
Конница разбита, армия бежит.
Враг вступает в город, пленных не щадя,
Оттого, что в кузнице не было гвоздя.
Модели соотношения порядка и хаоса
Существует целый спектр концепций, осмысливающих взаимоотношение порядка и хаоса. Пространственная модель существует в двух вариантах.
Первый подход близок сознанию древних народов. В нем хаосу отводится все, что ниже упорядоченного мира, за его границами. Поэтому понятие движения к хаосу понимается как движение вниз, в недра. Однако, там находятся не только ужасы преисподней, но и скрыты несметные богатства и сокровища. Таким образом, понятие хаоса приобретает амбивалентный смысл (амбивалентность — двойственность, когда один и тот же объект обладает различными, часто противоположными свойствами; например, у человека одновременно возникают к данному объекту чувства и любви, и ненависти). Амбивалентное восприятие хаоса существует фольклорной литературе по сей день: направление вниз присуще дракам, побоям, ударам; царей и королей низвергают с трона, сбрасывают на землю. Все завершенное, отжившее, ограниченное, устаревшее бросается в земной и телесный низ для смерти и нового рождения. В землю втаптывают, в нее хоронят, но в нее же бросают зерно, а затем собирают урожай.
Следовательно, первый вариант пространственной концепции взаимоотношений порядка и хаоса включает в себя понимание хаоса как периферии, удаленной от упорядоченного центра. Это материально-телесный низ в его амбивалентной значимости.
Второй подход этой концепции оформился у Аристотеля. Хаос понимался ими как физическое место, необходимое для существования тел. Это “пустота”, противопоставленная пространственной оформленности (геометрии материальных тел). В этой концепции стадии мирового распада чередуются с периодами восстановления.
Поиск механизмов объяснения порядка и хаоса
Везде при характеристике хаоса бесспорным является чрезмерный, колоссальный переизбыток энергии - в неистовых водных стихиях, вихре, смерче, вулканическом извержении земной плазмы и проч. Значит, при исследовании хаотизации важным оказывается его энергетическое представление.
Как доказали физики в ХХ в., на макроуровне хаос выполняет функции генетического начала. Бесконечное тепловое хаотическое движение электронов во всем аналогично древнегреческому принципу спонтанного становления. Э. Шредингер, один из создателей квантовой механики, пришел к выводу, что “могущественный порядок точных физических законов возникает из атомной и молекулярной неупорядоченности”. Ныне мы знаем, что вдали от равновесия могут спонтанно возникать новые типы структур. В сильно неравновесных условиях может совершаться переход от беспорядка, теплового хаоса, к порядку. Хаос может выступать как сверхсложная упорядоченность, а среда, кажущаяся нам совершенно беспорядочным, случайным скоплением элементов, на самом деле включает в себя необходимое для рождения огромное число упорядоченных структур разного типа, сколь угодно сложных и законченных.
Хаос, беспорядок, стихийность, бесструктурность, стохастичность, как и порядок, гармония, структура, организация, — понятия достаточно близкие. Беспорядок - это не только хаос. Хаос — это наличие испорченного порядка. Беспорядок — это такое состояние, когда налицо много вещей, но нет основания отличать одну вещь от другой. Порядок есть не что иное, как различимое отношение совокупности вещей. Говоря о неупорядоченном состоянии, имеют в виду идеал порядка, который в данном случае не реализуется. Случайное распределение — признаки, характеризующие хаосомность.
Оказывается, что высокая чувствительность к начальным условиям, приводящая к хаотическому и непредсказуемому поведению во времени, — это не исключение, а типичное свойство многих систем.
Э. Шредингер говорит о двух возможных механизмах, упорядочивающих явления — статистическом, создающим порядок из беспорядка в неорганическом мире, и механизме, основанном на создании порядка из беспорядка, присущем живому веществу. Если система предоставлена сама себе, то она переходит из наименее вероятного состояния к наиболее вероятному. При этом главенствует тенденция разупорядочивания, хаотизации. Все, что происходит в косной, неорганической материи, увеличивает хаос в той части материи, где это осуществляется.
Живой организм противится переходу к атомарному хаосу. На протяжении своей непродолжительной жизни он проявляет способность поддерживать себя и производить проявления упорядочения. Организм обладает уникальным свойством — концентрировать в себе поток порядка, получать упорядоченность из внешней среды.
Работа с информацией в визуализированной форме графических образов открыла перед исследователями фантастический, завораживающий мир структур, скрывающийся за видимым хаотическим поведением окружающего мира, благодаря ЭВМ и компьютерам.
Г. Хакен считает, что существуют одни и те же принципы самоорганизации различных по своей природе систем, от электронов до людей. На их нахождение и направлена синергетика.
Ученые, работающие над проблемой самоорганизации материи, выделяют такую структуру, как аттракторы — притягивающие множества. Они как бы образуют центры, к которым тяготеют элементы. Когда, например, скапливается большое количество народа, почти невозможно пройти мимо и не примкнуть к ним. В обыденной жизни это называется любопытством, а в живом мире это получило название “ сползание в точку скопления ”. Аттракторы притягивают и концентрируют вокруг себя стохастические элементы, которые как бы вбирают в себя хаос, одновременно структурируют среду, являются участниками созидания порядка (можно вырастить кристаллы, поместив в концентрированный солевой раствор шерстяную нитку).
Роль энтропии как меры хаоса
Энтропия, в переводе с греческого, означает превращение. Это понятие впервые было введено в термодинамике для определения меры рассеяния энергии. В теории информации это понятие используется как мера неопределенности, возможность иметь разные исходы. Роль энтропии как меры хаоса стала очевидной после установления связи между механическими и тепловыми явлениями, открытия принципа сохранения энергии и понятия необратимости. Как известно из термодинамики, энтропия – величина, пропорциональная логарифму термодинамической вероятности, т.е. она показывает, сколькими микросостояниями можно осуществить данное макросостояние. Постоянный обмен энергии, лежащий в основе всех процессов, заставляет задумываться как о ее рассеянии, так и об ее источнике. Термодинамическому равновесию системы, в которую не поступает энергия извне, соответствует состояние с максимумом энтропии. Равновесие, которому соответствует наибольший максимум энтропии, называется абсолютно устойчивым. При этом, все процессы в природе протекают в направлении увеличения энтропии. Таким образом, увеличение энтропии системы означает переход в состояние, имеющее большую вероятность. Необратимые процессы протекают самопроизвольно до тех пор, пока система не достигнет состояния, которому соответствует наибольшая вероятность, а энтропия при этом достигает своего максимума.
Энтропия характеризует вероятность, с которой устанавливается то или иное состояние, и является мерой хаотичности или необратимости. Это мера беспорядка в системах атомов, электронов, фотонов и других частиц. Чем больше порядка, тем меньше энтропия. Деградация качества энергии означает увеличение беспорядка в расположении атомов и в характере электромагнитного поля внутри системы. То есть все самопроизвольные процессы всегда протекают так, что беспорядок в системе увеличивается.
Под энтропией стали понимать меру беспорядка системы. Формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: при самопроизвольных процессах в системах, с постоянной энергией, энтропия всегда возрастает.
Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это и есть наиболее простое состояние системы, или термодинамическое равновесие, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно хаосу.
Общий вывод достаточно печален: необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех ее видов в тепловую энергию, которая рассеется, т.е. в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие, или хаос. Если Вселенная замкнута, то ее ждет именно такая незавидная участь. Из хаоса, как утверждали древние греки, она родилась, в хаос же, по предположению классической термодинамики, и возвратится.
Возникает, правда, любопытный вопрос: если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то как она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния? Но этим вопросом классическая термодинамика не задавалась, ибо формировалась в эпоху, когда нестационарный характер Вселенной не обсуждался.
Структура пространства не допускает ни полного хаоса, ни полного порядка. Но положение 50x50 в природе не наблюдается. Значит, у природы есть некий набор средств, чтобы противостоять нарастанию хаоса. Развитие жизни на Земле - яркий пример противостояния хаосу.
Равнозначность точек и направлений говорит о равновесном состоянии пространства и является основой его существования. Любое локальное нарушение этого пространства вызывает реакцию противодействия, которая создает динамическое равновесие с тем, что вызвало это нарушение. Эти проявления называются сегодня полями. Таков один из уровней бытия.
Таким образом:
На современном уровне развития представление о хаосе как источнике гибели и деструкции (разрушения) заменяется более емким пониманием хаоса как основания для установления упорядоченности, причины спонтанного структурирования.
Определение хаоса как состояния, производного от первичной неустойчивости материальных взаимодействий, подразумевается универсальной характеристикой, охватывающей живую, косную (неживую) и социально-организованную материю.
Хаос - это не только бесформенная масса, а сверхсложно-организованная последовательность, логика которой представляет большой интерес.
4.2. Структурные уровни организации материи. Микро-, макро- и мегамиры
Согласно системному подходу существует два типа связей между элементами системы – по «горизонтали » и по «вертикали ».
Связи по «горизонтали» – это связи координации между однопорядковыми элементами. Они носят коррелирующий характер: ни одна часть системы не может измениться без того, чтобы не изменились другие части.
Связи по «вертикали» – это связи субординации, т.е. соподчинения элементов. Они выражают сложное внутреннее устройство системы, где одни части по своей значимости могут уступать другим и подчиняться им. Вертикальная структура включает в себя уровни организации системы, а также их иерархию.
Целостность системы означает, что все ее составные части, соединяясь вместе, образуют уникальное целое, обладающее новыми интегративными свойствами.
В естественных науках выделяются два больших класса материальных систем: системы неживой природы и системы живой природы.
- В неживой природе в качестве структурных уровней организации материи выделяют элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, физический вакуум, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы – галактики, системы галактик, метагалактику.
- В живой природе к структурным уровням организации материи относят системы доклеточного уровня – нуклеиновые кислоты и белки; клетки как особый уровень биологической организации, представленные в форме одноклеточных организмов и элементарных единиц живого вещества; многоклеточные организмы растительного и животного мира; надорганизменные структуры, включающие в себя виды, популяции и биоценозы и, наконец, биосферу как всю муссу живого вещества.
В природевсе взаимосвязано, поэтому можно выделить такие системы, которые включают в себя элементы как живой, так и неживой природы – биогеоценозы.
Применяя системный подход, естествознание не просто выделяет типы материальных систем, а раскрывает их связь и соотношение.
В науке условно выделяются три уровня строения материи.
– Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время – в секундах, минутах, часах, годах.
– Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10–8 до 10–16 см, а время жизни – от бесконечности до 10–24 сек.
– Мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет.
И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.
Микромир с точки зрения современной физики
В конце XIX – начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира, для описания которого концептуальные построения классической физики оказались непригодными.
В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи.
История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона – отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Опыты английского физика Э. Резерфорда с a-частицами привели его к выводу о том, что в атомах существуют ядра – положительно заряженные микрочастицы, размер которых (10–12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10–8 см), но в которых почти полностью сосредоточена масса атомов.
Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращаться в атомы других в результате радиоактивности, впервые открытой французским физиком А. А. Беккерелем. Явление радиоактивности, окончательно опровергнувшее представление о неделимости и непревращаемости атома, заключается в самопроизвольном превращении неустойчивых ядер атомов радиоактивных элементов в результате ядерных излучений. В результате радиоактивного излучения атом радиоактивного элемента превращается в атом другого элемента. Открытие сложной структуры атома стало крупнейшим событием в физике, поскольку оказались опровергнутыми представления классической физики об атомах как твердых и неделимых структурных единицах вещества.
В первой модели атома, предложенной Э. Резерфордом, электроны движутся вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца (планетарная модель атома). Установлено, что поперечник атома составляет 10-8 см, а ядра— 10-12 см. Масса протона больше массы электрона в ~2000 раз. Плотность ядра 1014 г/см3. Превращение химических веществ друг в друга, о чем мечтали алхимики, возможно, но для этого нужно изменить атомное ядро, а это требует энергий в миллионы раз превосходящих энергию химических процессов.
При переходе к исследованию микромира оказались разрушенными и представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи. Открытие М. Планком элементарного кванта действия с энергией: Е = hn, где h – универсальная константа а n – частота, привело к формулировке его гениальной гипотезе, которую творчески развил А. Эйнштейн. В 1905 г. он перенес эту идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете.
Представление о свете как о “дожде” быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым. Однако, применение А. Эйнштейном гипотезы Планка к свету помогло понять и наглядно представить явление фотоэффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и его частота достаточно велика для преодоления сил связи электрона с веществом. Правильность такого толкования фотоэффекта (за эту работу Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет получила подтверждение в экспериментах американского физика Р.Э. Милликена. Открытое в 1923 г. американским физиком А.Х. Комптоном явление (эффект Комптона), которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими лучами на атомы со свободными электронами, вновь и уже окончательно подтвердило квантовую теорию света. Эта теория относится к наиболее подтвержденным экспериментально физическим теориям. К тому времени волновая природа света была твердо установлена опытами по интерференции и дифракции. При фотоэффекте же максимально проявлялись корпускулярные свойства света. При этом фотон оказался корпускулой особого рода. Основная характеристика его дискретности – присущая ему порция энергии – вычислялась через чисто волновую характеристику – частоту n.
Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, расхождения представлений Резерфорда и практики главным образом были связаны с волновыми свойствами электрон а. Длина волны движущегося в атоме электрона равна примерно 10–8 см, т.е. она того же порядка, что и размер атома. Движение частицы, принадлежащей какой-либо системе, можно с достаточной степенью точности описывать как механическое движение материальной точки по определенной орбите (траектории) только в том случае, если длина волны, соответствующая частице пренебрежимо мала по сравнению с размерами системы. Следовательно, точно описать структуру атома на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит, предсказанных Н.Бором, в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако, не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других – меньше.
Описание распределения плотности электронного заряда было дано в квантовой механике: плотность электронного заряда в определенных точках дает максимум. Кривая, связывающая точки максимальной плотност и, формально называется орбитой электрона. Траектории, вычисленные в теории Н.Бора для одноэлектронного атома водорода, совпали с кривыми максимальной средней плотности заряда, что и обусловило согласованность с экспериментальными данными.
Теория Н.Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру атома на основе классической физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений.
Создавалось впечатление, что постулаты Н. Бора отражают какие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь частично. Процессы в атоме, в принципе, нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромир е. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.
Корпускулярно-волновой дуализм и элементарные частицы как глубинный уровень структурной организации материи.
В 1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики: французский физик Луи де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. В своей работе «Свет и материя» он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления А. Эйнштейна не только в теории света, но также и в теории материи.
Л. де Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. Согласно де Бройлю, любому телу с массой m, движущемуся со скоростью V, соответствует длина волны l = 
. Фактически аналогичная формула была известна раньше, но только применительно к квантам света – фотонам. Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Наиболее убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 г. дифракции электронов американскими физиками К. Дэвисоном и Л. Джермером. В дальнейшем были выполнены опыты по обнаружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Во всех случаях результаты полностью подтверждали гипотезу де Бройля. Еще более важным было открытие новых элементарных частиц, предсказанных на основе системы формул развитой волновой механикой.
Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике стал всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств.
Элементарные частицы составляют глубинный уровень структурной организации материи. Как оказалось сегодня, именно из них состоит вещество в принятом на сегодня смысле. В принципе не существует жесткого разделения на вещество и поле, а есть плавный переход одного в другое. Дальнейшее проникновение в глубины микромира связано с переходом от уровня атомов к уровню элементарных частиц. В качестве первой элементарной частицы в конце XIX в. был открыт электрон, а затем в первые десятилетия XX в. – фотон, протон, позитрон и нейтрон.
В XX в. открыто огромное количество элементарных частиц и выявлены закономерности их взаимодействия. Их можно разделить на несколько групп: адроны (из них состоят ядра), лептоны (электроны, нейтрино), фотоны (кванты света без массы покоя). Фотоны и нейтрино движутся со скоростью света.
Немецкий физик П. Дирак предсказал в 1936 г. существование античастиц с той же массой, что и частицы, но зарядом противоположного знака. На ускорителях высоких энергий уже получены позитроны (античастицы электронов) и антипротоны. При столкновении частица и античастица аннигилируют с выделением фотонов — безмассовых частиц света (вещество переходит в излучение). В результате взаимодействия фотонов могут рождаться пары «частица-античастица».
После второй мировой войны, благодаря использованию современной экспериментальной техники, и, прежде всего мощным ускорителям, было установлено существование большого числа элементарных частиц – свыше 300. Среди них имеются как экспериментально обнаруженные, так и теоретически вычисленные, включая резонансы, кварки и виртуальные частицы.
Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.
Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя – фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны – легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны – средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы – тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.
Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. Приблизительно в 1963 – 1964 гг. была высказана гипотеза о существовании кварков – частиц с дробным относительно элементарного электрическим зарядом. Экспериментального подтверждения эта гипотеза пока не нашла.
По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10–10 – 10–24 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10–23 – 10–22 с называют резонансами. Вследствие краткого времени жизни они распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Резонансные состояния вычислены теоретически, зафиксировать их в реальных экспериментах не удается.
В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление – взаимодействия. Различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Свойства элементарных частиц определяются в основном первыми тремя видами взаимодействия.
Макромир: концепции классического естествознания
Наиболее значимой для последующего развития естественных наук была концепция дискретного строения материи – атомизм, согласно которому все тела состоят из атомов – мельчайших в мире частиц. По мере развития науки накапливалось все больше фактов, не поддающихся описанию с помощью атомной теории. Как нами уже было показано, сформировалось учение о дуализме, подчеркивающее, что природа окружающей материи едина, а различия объясняются лишь скоростями движения, видами взаимодействий, массой объектов и проч.
Итак, к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.
•Вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности: вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно.
• Вещество и поле различаются по своим физическим характеристикам: частицы вещества обладают массой покоя, а поле – нет.
• Вещество и поле различаются по степени проницаемости: вещество мало проницаемо, а поле, наоборот, полностью проницаемо.
• Скорость распространения поля равна скорости света, а скорость движения частиц вещества меньше нее на много порядков.
В результате революционных открытий в физике в конце ХIХ и начале ХХ обнаружилось, что физическая реальность едина и нет пропасти между веществом и полем: поле, подобно веществу, обладает корпускулярными свойствами, а частицы вещества, подобно полю, – волновыми.
Мегамир в современном представлении.
Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд; звезд и звездных систем – галактик; системы галактик – Метагалактики.
Материя во Вселенной представлена сконденсировавшимися космическими телами и диффузной материей. Диффузная материя существует в виде разобщенных атомов и молекул, а также более плотных образований – гигантских облаков пыли и газа – газово-пылевых туманностей. Значительную долю материи во Вселенной, наряду с диффузными образованиями, занимает материя в виде излучения. Следовательно, космическое межзвездное пространство никоим образом не пусто.
По современным представлениям вещество во Вселенной существует в основном в звездном состоянии (до 97 %). Это плазменные образования различных размеров, классов, времени жизни и проч. Они существуют не обособленно, а образуют скопления, которые в свою очередь складываются в более общие системы – Галактики, включающие в себя помимо звезд еще извездную материю ( на сегодня известно около 10 млрд. галактик). Для объяснения структуры мегамира наиболее важным является гравитационное взаимодействие. Считается, что основная эволюция вещества во Вселенной происходила и происходит в недрах звезд. Ассоциации звезд не являются вечно существующими, через миллионы лет они рассеиваются или преобразуются в новые. Различия между звездами и планетами обусловлены прежде всего их размерами и массами.
По современным представлениям существует несколько моделей Вселенной – стационарная, расширяющаяся (Большого взрыва), пульсирующая. Это обстоятельство обусловлено тем фактом, что уравнение тяготения, выведенное Эйнштейном в теории тяготения, имеет не одно, а множество решений, а значит, может существовать и множество космологических моделей.
4.3. Пространство и время
Концепция относительности пространства и времени заключается в следующем. В механистической картине мира понятия простр