Структурные уровни организации материи: концепции микро-, макро- и мегамиров

Структурные уровни организации материи: концепции микро-, макро- и мегамиров

1.ВВЕДЕНИЕ

Естественные науки, начав изучение материального мира с наиболее простых

непосредственно воспринимаемых человеком материальных объектов, переходят

далее к изучению сложнейших объектов глубинных структур материи, выходящих

за пределы человеческого восприятия и несоизмеримых с объектами

повседневного опыта. Применяя системный подход, естествознание не просто

выделяет типы материальных систем, а раскрывает их связь и соотношение.

В науке 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 разномерность которых исчисляется от

десяти в минус восьмой степени до десяти в минус шестнадцатой

степени см, а время жизни - от бесконечности до десяти в минус

двадцать четвертой степени 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.

2.МАКРОМИР: концепции классического естествознания.

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.

Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI в.,

когда Г. Галилеем была заложена основа первой в истории науки физической

картины мира — механической. Он не просто обосновал гелиоцентрическую

систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методологию

нового способа описания природы — научно-теоретического. Суть его

заключалась в том, что выделялись только некоторые физические и

геометрические характеристики, которые становились предметом научного

исследования. Выделение отдельных характеристик объекта позволяло строить

теоретические модели и проверять их в условиях научного эксперимента. Эта

методологическая концепция, впервые сформулированная Галилеем в труде

"Пробирные весы", оказала решающее влияние на становление классического

естествознания.

И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию

механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов

одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая

система.

В рамках механической картины мира, разработанной И. Ньютоном и его

последователями, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности

Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных

частиц — атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы,

непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса. Существенной

характеристикой ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовой

геометрии, которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время

представлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от

материи.

Философское обоснование механическому пониманию природы дал Р. Декарт с

его концепцией абсолютной дуальности (независимости) мышления и материи, из

которой следовало, что мир можно описать совершенно объективно, без учета

человека-наблюдателя. Это убеждение, глубоко созвучное взглядам Ньютона, на

десятилетия вперед определило направленность развития естественных наук.

Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского и

полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой

цепь взаимозависимых причин и следствий. Отсюда и вера в то, что

теоретически можно точно реконструировать любую прошлую ситуацию во

Вселенной или предсказать будущее с абсолютной определенностью.

И.Р.Пригожин назвал эту веру в безграничную предсказуемость

"основополагающим мифом классической науки".

Механистический подход к описанию природы оказался необычайно

плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика,

теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая

теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных

успехов. Однако были две области — оптических и электромагнитных явлений,

которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины

мира.

Разрабатывая оптику, И. Ньютон, следуя логике своего учения, считал свет

потоком материальных частиц — корпускул. В корпускулярной теории света И.

Ньютона утверждалось, что светящиеся тела излучают мельчайшие частицы,

которые движутся в согласии с законами механики и вызывают ощущение света,

попадая в глаз. На базе этой теории И. Ньютоном было дано объяснение

законам отражения и преломления света.

Наряду с механической корпускулярной теорией, осуществлялись попытки

объяснить оптические явления принципиально иным путем, а именно на основе

волновой теории, сформулированной X.Гюйгенсом. Волновая теория

устанавливала аналогию между распространением света и движением волн на

поверхности воды или звуковых волн в воздухе. В ней предполагалось наличие

упругой среды, заполняющей все пространство, светоносного эфира

Распространение света рассматривалось как распространение колебаний эфира,

каждая отдельная точка эфира колеблется в вертикальном направлении, а

колебания всех точек создают картину волны, которая перемещается в

пространстве от одного момента времени к другому. Главным аргументом в

пользу своей теории X. Гюйгенс считал тот факт, что два луча света,

пересекаясь, пронизывают друг друга без каких-либо помех в точности, как

два ряда волн на воде.

Согласно же корпускулярной теории, между пучками изученных частиц,

каковыми является свет, возникали бы столкновения или, по крайней мере,

какие-либо возмущения. Исходя из волновой теории X. Гюйгенс успешно

объяснил отражение и преломление света.

Однако против нее существовало одно важное возражение. Как известно,

волны обтекают препятствия. А луч света, распространяясь по прямой,

обтекать препятствия не может. Если на пути луча света поместить

непрозрачное тело с резкой гранью, то его тень будет иметь резкую границу.

Однако эго возражение вскоре было снято благодаря опытам Гримальди. При

более тонком наблюдении с использованием увеличительных линз

обнаруживалось, что на границах резких теней можно видеть слабые участки

освещенности в форме перемежающихся светлых и темных полосок или ореолов.

Это явление было названо дифракцией света. Именно открытие дифракции

сделало X. Гюйгенса ревностным сторонником волновой теории света. Однако

авторитет И. Ньютона был настолько высок, что корпускулярная теория

воспринималась безоговорочно даже несмотря на то, что на ее основе нельзя

было объяснить явление дифракции

Волновая теория света была вновь выдвинута в первые десятилетия XIX в.

английским физиком Т. Юнгом и французским естествоиспытателем О.Ж.

Френелем. Т.Юнг дал объяснение явлению интерференции, т.е. появлению темных

полосок при наложении света на свет. Суть ее можно описать с помощью

парадоксального утверждения, свет, добавленный к свету, не обязательно дает

более сильный свет, но может давать более слабый и даже темноту. Причина

этого заключается в том, что согласно волновой теории, свет представляет

собой не поток материальных частиц, а колебания упругой среды среды, или

волновое движение. При наложении друг на друга цепочек волн в

противоположных фазах, где гребень одной волны совмещается со впадиной

другой, они уничтожают друг друга, в результате чего появляются темные

полосы.

Другой областью физики, где механические модели оказались неадекватными,

была область электромагнитных явлений. Эксперименты английского

естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика

Дж.К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о

дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало

электромагнитной картине мира.

Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспытатель Х.К. Эрстед,

который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая

исследования в этом направлении, М.Фарадей обнаружил, что временное

изменение в магнитных полях создает электрический ток. Осмысливая свои

эксперименты, он ввел понятие "силовые линии". М.Фарадей, обладавший

талантом экспериментатора и богатым воображением, с классической ясностью

представлял себе действие электрических сил от точки к точке в их "силовом

поле". На основе своего представления о силовых линиях он предположил, что

существует глубокое родство электричества и света, и хотел построить и

экспериментально обосновать новую оптику, в которой свет рассматривался бы

как колебания силового поля. Эта мысль была необычайно смела для того

времени, но она была достойна исследователя, который считал, что только тот

находит великое, кто исследует маловероятное.

Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика

взаимосвязаны и образуют единую пунктом исследований Дж.К. Максвелла,

заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о

магнетизме и электричестве. Используя высокоразвитые математические методы,

Максвелл "перевел" модель силовых линий Фарадея в математическую формулу.

Понятие "поле сил" первоначально складывалось как вспомогательное

математическое понятие. Дж.К. Максвелл придал ему физический смысл и стал

рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность.

"Электромагнитное поле — это та часть пространства, которая содержит в себе

и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии"1.

Обобщив установленные ранее экспериментальным путем законы электромагнитных

явлений (Кулона, Ампера, Био-Савара) и открытое М. Фарадеем явление

электромагнитной индукции, Максвелл чисто математическим путем нашел

систему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле. Эта

система уравнений дает в пределах своей применимости полное описание

электромагнитных явлений и представляет собой столь же совершенную и

логически стройную теорию, как и система ньютоновской механики.

Из уравнений следовал важнейший вывод о возможности самостоятельного

существования поля, не "привязанного" к электрическим зарядам. В

дифференциальных уравнениях Максвелла вихри электрического и магнитного

полей определяются производными по времени не от своих, а от чужих полей:

электрическое — от магнитного и, наоборот, магнитное — от электрического.

Поэтому если меняется со временем магнитное поле, то существует и

переменное электрическое поле, которое в свою очередь ведет к изменению

магнитного поля. В результате происходит постоянное изменение векторов

напряженности электрического и магнитного полей, т.е. возникает переменное

электромагнитное поле, которое уже не привязано к заряду, а отрывается от

него, самостоятельно существуя и распространяясь в пространстве.

Вычисленная им скорость распространения электромагнитного поля оказалась

равна скорости света. А исходя из этого Максвелл смог заключить, что

световые волны представляют собой электромагнитные волны. Единая сущность

света и электричества, которую М. Фарадей предположил в 1845 г., а Дж.К.

Максвелл теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментально

подтверждена немецким физиком Г. Герцом в 1888 г.

В экспериментах Г. Герца в результате искровых разрядов между двумя

заряженными шарами появлялись электромагнитные волны. Когда они падали на

круговой проволочный виток, то создавали в нем токи, о появлении которых

свидетельствовали искры, проскакивающие через разрыв. Г. Герц успешно

провел отражение этих волн и их интерференцию, т.е. те явления, которые

характерны для световых волн, а затем измерил длину Максвелла.

После экспериментов Г. Герца в физике окончательно электромагнитных

волн. Зная частоту колебаний, он смог подсчитать скорость распространения

электромагнитных волн, которая оказалась равна скорости света. Это прямо

подтвердило гипотезу утвердилось понятие поля не в качестве вспомогательной

математической конструкции, а как объективно существующей физической

реальности. Был открыт качественно новый, своеобразный вид материи.

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 спета, а скорость движения

частиц вещества меньше ее на много порядков.

В результате революционных открытий в физике в конце прошлого и начале

нынешнего столетий обнаружилось, что физическая реальность едина и нет

пропасти между веществом и полем: поле, подобно веществу, обладает

корпускулярными свойствами, а частицы вещества, подобно полю, — волновыми.

.

3.МИКРОМИР: концепции современной физики.

1)Фундаментальные открытия в области физики

конца 19-начала 20 вв.

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 альфа-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.

Вопросы радиоактивности различных элементов изучались французскими

физиками Пьером и Марией Кюри. Ими были открыты новые элементы — полоний и

радий, а также установлено, что 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.

2)Рождение и развитие представлений о квантах.

При переходе к исследованию микромира оказались

разрушенными и представления классической физики о веществе и поле как двух

качественно своеобразных видах материи. Изучая микрочастицы, ученые

столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией,

одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные

свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Плавком. В

процессе работы по исследованию теплового излучения, которую М. Планк

назвал самой тяжелой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том,

что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не

непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях —

квантах. Сумма энергий этих мельчайших порций энергии — квантов

определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и

универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под

символом h. E = Ну, ставшим впоследствии знаменитым (где hy — квант

энергии, у — частота).

Если введение кванта еще не создало настоящей квантовой теории, как

неоднократно подчеркивал М Планк, то все же 14 декабря 1900 г., в день

опубликования формулы, был заложен ее фундамент. Поэтому в истории физики

этот день считается днем рождения квантовой теории. А поскольку понятие

элементарного кванта действия служило в дальнейшем основой для понимания

всех свойств атомной оболочки и атомного ядра, то 14 декабря 1900 г.

следует рассматривать как день рождения всей атомной физики и

начало новой эры естествознания.

Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного

кванта действия и творчески развил его был А. Эйнштейн. В 1905 г. он

перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при

тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое

учение о свете. А. Эйнштейн предположил, что речь идет о естественной

закономерности всеобщего характера. Не оглядываясь на господствующие в

оптике взгляды, он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что

следует признать корпускулярную структуру света.

Квантовая теория света, или фотонная теория А.Эйнштейна, утверждала, что

свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое

явление. И вместе с тем световая энергия, чтобы быть физически действенной,

концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывную

структуру.

Эйнштейновское представление о световых квантах помогло понять и наглядно

представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в

выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн.

Эксперименты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта определяется

не интенсивностью падающей волны, а ее частотой. Если предположить, что

каждый электрон вырывается одним фотоном, то становится ясно следующее:

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 фотоэлектрического эффекта (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.

Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не

только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и

интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте —

корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого

рода. Основная характеристика его дискретности — присущая ему порция

энергии — вычислялась через чисто волновую характеристику — частоту у (Е=

Ну).

Как и все великие естественно-научные открытия, новое учение о свете

имело фундаментальное теоретико-познавательное значение. Старое положение о

непрерывности природных процессов, которое было основательно поколеблено М.

Планком, Эйнштейн "отбросил" в гораздо более обширной области физических

явлений.

Представление о квантах электромагнитного поля — фотонах — один из

наиболее фундаментальных вкладов в разработку квантовой теории. Уже поэтому

А. Эйнштейн должен рассматриваться как один из величайших ее создателей.

Теория А. Эйнштейна, развивающая взгляды М. Планка, позволила Н. Бору

разработать модель атома.

3)Теория атома Н.Бора.

В1913 г. великий датский физик Н. Бор применил принцип квантования

при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных

спектров, устранив тем самым противоречия, которые возникали при

планетарной модели атома Э. Резерфорда. Модель атома, предложенная

Резерфордом в 1911 г., напоминала солнечную систему: в центре находится

атомное ядро, а вокруг него но своим орбитам движутся электроны. Ядро имеет

положительный заряд, а электроны — отрицательный. Вместо сил тяготения,

действующего в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы.

Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в

периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов

электронов — атом электрически нейтрален.

Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что

электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В

то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должны

излучать электромагнитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро

потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро.

Следующее противоречие связано с тем, что спектр излучения электрона

должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы

свою частоту. Опыт же показывает, что атомы излучают свет только

определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми.

Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказалась

несовместимой с электродинамикой Дж. К. Максвелла.

Модель атома Н. Бора, разрешавшая эти противоречия, базировалась на

планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой

теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную

на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных состояний

(говоря языком планетарной модели, несколько стационарных орбит)

электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая;

2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в

другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарных

состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной

энергии.

Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода,

состоящего из одного протона и одного электрона трудностями. Чем подробнее

теоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их

орбиты, тем большим было расхождение теоретических результатов с

экспериментальными данными. Как стало ясно в ходе развития квантовой

теории, эти расхождения главным образом были связаны с волновыми свойствами

электрона. Т.е., следует учитывать, что электрон не точка и не твердый

шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в

зависимости от его состояния. При этом детали внутренней структуры

электрона неизвестны.

Следовательно, точно описать структуру атома на основании представления

об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких

орбит 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.

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. Введенные Бором постулаты ясно показали, что

классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты,

связанные со структурой атома. Постулаты, чужеродные классической физике,

нарушили ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой круг

экспериментальных данных.

Со временем выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следует

понимать буквально, как это было вначале. Процессы в атоме, в принципе,

нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с

событиями в макромире. 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.

4)Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике.

Представления А. Эйнштейна о квантах света, послужившие в 1913 г.

отправным пунктом теории Н. Бора, через 10 лет снова оказали плодотворное

воздействие на развитие атомной физики. Они привели к идее о "волнах

материи" и тем самым заложили основу новой стадии развития квинтовой

теории.

В 1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики:

французский физик Л. де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи.

В своей работе "Свет и материя" он писал о необходимости использовать

волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением

А. Эйнштейна 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.

В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер нашел математическое уравнение,

определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера.

Английский физик П. Дирак обобщил его.

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. Кванты света становились при этом особым

моментом всеобщего строения микромира.

Волны материи, которые первоначально представлялись как наглядно-

реальные волновые процессы по типу волн акустики, приняли абстрактно-

математический облик и получили благодаря немецкому физику М. Борну

символическое значение как "волны вероятности".

Однако гипотеза де Бройля нуждалась в опытном подтверждении. Наиболее

убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало

обнаружение в 1927 г. дифракции электронов американскими физиками К.

Дэвисоном и Л. Джермером.

Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике стал всеобщим. Любой

материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и

волновых свойств.

Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица и как волна,

разрушал традиционные представления. Форма частицы подразумевает сущность,

заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, тогда как

волна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два

описания реальности являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для

того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления.

Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении

неопределенностей, установленном немецким физиком В. Гейзенбергом, и

принципе дополнительности Н. Бора.

В своей книге "Физика атомного ядра" В. Гейзенберг раскрывает содержание

соотношения неопределенностей. Он пишет, что 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. Если ставится эксперимент, который точно показывает, где

частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени,

что частицу после этого невозможно найти. И наоборот, при точном измерении

скорости нельзя определить место расположения частицы.

С точки зрения классической механики, соотношение неопределенностей

представляется абсурдом. Чтобы лучше оценить создавшееся положение, нужно

иметь в виду, что мы, люди, живем в макромире и, в принципе, не можем

построить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру.

Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать

микромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических

процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое

толкование.

Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением

неопределенностей, является принцип дополнительности, которому Н.Бор дал

следующую формулировку "Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то

же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами

происходящего".

С теоретической точки зрения, микрообъекты, для которых существенным

является квант действия М. Планка, не могут, рассматриваться так же, как

объекты макромира, ведь для них планковская константа h из-за ее малой

величины не имеет, значения. В микромире корпускулярная и волновая картин

сами по себе не являются достаточными, как в мире больших тел. Обе

"картины" законны, и противоречие между ними снять нельзя. Поэтому

корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть

комплементарными. Только при учете, обоих аспектов можно получить общую

картину микромира.

Согласно современным представлениям, структура элементарных частиц

описывается посредством непрерывно возникающих и снова распадающихся

"виртуальных" частиц. Например, мезон строится из виртуального нуклона и

антинуклона, которые в процессе аннигиляции (лат. annihilatio, букв,

уничтожение) непрерывно исчезают, а затем образуются снова.

Формальное привлечение виртуальных частиц означает, что внутреннюю

структуру элементарных частиц невозможно описать через другие частицы.

Удовлетворительной теории происхождения и структуры элементарных частиц

пока нет. Многие ученые считают, что такую теорию можно создать только при

учете космологических обстоятельств. Большое значение имеет исследование

рождения элементарных частиц из вакуума в сильных гравитационных и

электромагнитных полях, поскольку здесь устанавливается связь микро- и

мегамиров. Фундаментальные взаимодействия во Вселенной, в мегамире

определяют структуру элементарных частиц и их превращения. Очевидно,

потребуется выработка новых понятий для адекватного описания структуры

материального мира.

4.МЕГАМИР: современные астрофизические и космологические концепции.

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.

1)Звездная форма бытия космической материи.

На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится

преимущественно в звездном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике

сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные

образования различной величины, температуры, с разной характеристикой

движения. У многих, если не у большинства других галактик, "звездная

субстанция" составляет более чем 99,9% их массы.

В недрах звезд при температуре порядка 10 млн град, и при очень высокой

плотности атомы находятся в ионизированном состоянии: электроны почти

полностью или абсолютно все отделены от своих атомов. Оставшиеся ядра

вступают во взаимодействие друг с другом, благодаря чему водород, имеющийся

в изобилии в большинстве звезд, превращается при участии углерода в гелий.

Эти и подобные ядерные превращения являются источником колоссального

количества энергии, уносимой излучением звезд.

Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие

звездные системы — так называемые кратные системы, состоящие из двух, трех,

четырех, пяти и больше звезд, обращающихся вокруг общего центра тяжести.

Компоненты некоторых кратных систем окружены общей оболочкой диффузной

материи, источником которой, по-видимому, являются сами звезды,

выбрасывающие ее в пространство и виде мощного потока газа.

Звезды объединены также в еще большие группы - звездные

скопления, которые могут иметь "рассеянную" или "шаровую" структуру.

Рассеянные звездные скопления насчитывают несколько сотен отельных звезд,

шаровые скопления — многие сотни тысяч.

Перечисленные звездные системы являются частями более общей системы —

Галактики, включающей в себя помимо звезд и диффузную материю. По своей

форме галактики разделяются на три основных типа: эллиптические, спиральные

и неправильные. В неправильных галактиках наблюдаются вихревые движения

газов и тенденция к вращению, вероятно, ведущие к образованию спиральных

ветвей. В настоящее время астрономы насчитывают около 10 млрд галактик.

Большинство галактик имеет эллиптическую или спиралевидную форму.

Галактика, внутри которой расположена Солнечная система, является

спиральной системой, состоящей приблизительно из 120 млрд звезд. Она имеет

форму утолщенного диска. Наибольший диаметр равен 100 тыс. световых лет.

Наша Галактика состоит из звезд и диффузной материи. Ее звезды

разделяются различными способами на подсистемы. В ней насчитывается

приблизительно 20 тыс. рассеянных и около 100 шаровых скоплений звезд.

Кроме того, можно выделить звезды, концентрирующиеся в галактической

плоскости и образующие плоскую систему и сферическую форму

пространственного распределения звезд, образующую ядро галактики.

По радиоастрономическим наблюдениям сделано заключение, что наша

Галактика имеет четыре спиральные ветви. Ближайшей галактической системой

является туманность Андромеды, находящаяся от нас на расстоянии 2 700 000

световых лет. Нашу Галактику и туманность Андромеды можно причислить к

самым большим из известных в настоящее время галактик.

Галактики, как правило, встречаются в виде так называемых "облаков" или

"скоплений галактик". Эти "облака" содержат до нескольких тысяч отдельных

систем. Распределение галактик в пространстве указывает на существование

определенной упорядоченной системы — Метагалактики. Метагалактика, или

система галактик, включает в себя все известные космические объекты.

Для объяснения структуры мегамира наиболее важным является

гравитационное взаимодействие. Всякое тело притягивает другое тело, но сила

гравитации, согласно закону всемирного тяготения, быстро уменьшается с

увеличением расстояния между ними. В газово-пылевых туманностях под

действием сил гравитации происходит формирование неустойчивых

неоднородностей, благодаря чему диффузная материя распадается на ряд

сгущений. Если такие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течением

времени они превращаются в звезды. Важно отметить, что происходит процесс

рождения не отдельной изолированной звезды, а звездных ассоциаций.

Образовавшиеся газовые тела притягиваются друг к другу, но не обязательно

объединяются в одно громадное тело. Вместо этого они, как правило, начинают

вращаться относительно друг друга, и центробежная сила этого движения

противодействует силе притяжения, ведущей к дальнейшей концентрации. Звезды

эволюционируют от протозвезд, гигантских газовых шаров, слабо светящихся и

с низкой температурой, к звездам — плотным плазменным телам с температурой

внутри в миллионы градусов. Затем начинается процесс ядерных превращений,

описываемый в ядерной физике. Основная эволюция вещества во Вселенной

происходила и происходит в недрах звезд. Именно там находится тот

"плавильный тигель", который обусловил химическую эволюцию вещества во

Вселенной.

Огромная энергия, излучаемая звездами, образуется в результате ядерных

процессов, происходящих внутри звезд.

Ассоциации, или скопления звезд, также не являются неизменно или вечно

существующими. Через определенное количество времени, исчисляемое

миллионами лет, они рассеиваются силами галактического вращения.

2)Планеты.

Особый теоретический, а также практическим интерес имеет для

обитателей Земли вопрос о возникновении космических объектов, имеющих

размеры планет.

Отличительной чертой планетоподобных несветящихся тел является

величина их массы. Все различия между звездами и планетами являются

следствием различия их масс. Особенности планет как объектов мегамира можно

понять в рамках общего космогонического процесса, в силу которого вблизи

определенных звезд возникает система планет — вращающихся вокруг них темных

небесных тел.

Первые теории происхождения солнечной системы были выдвинуты немецким

философом И. Кантом и французским математиком П.С. Лапласом. Их теории

вошли в науку как некая коллективная космогоническая гипотеза Канта —

Лапласа, хотя разрабатывались они независимо друг от друга.

И. Кант выдвинул гипотезу, согласно которой перед образованием планет

Солнечной системы пространство, где теперь она существует, было заполнено

рассеянной материей, находившейся во вращательном движении вокруг уже

возникшего в виде центрального сгущения Солнца. С течением времени

вследствие притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи

(туманности) возникли планеты. И. Кант впервые выдвинул предположение, что

Солнечная система не существовала вечно. Процесс ее возникновения он

связывал с существованием сил взаимодействия, присущих частицам туманности.

При этом гипотеза И. Канта не противоречила наблюдаемому расположению орбит

планет Солнечной системы приблизительно и одной плоскости и существованию

спутников.

Приблизительно через 50 лет после этого П.С. Лаплас выдвинул свою

гипотезу, во многом сходную с предположением И. Канта. Космогоническая

гипотеза П.С. Лапласа основывалась на том, что Солнечная система

образовалась из уже вращающейся газовой туманности. По теории И. Канта,

Солнечная система также возникла из газовой туманности, но она не имела

предварительного вращения. В этом случае появлялась непреодолимая

трудность, невозможно было объяснить, как могло образоваться правильное

вращательное движение небесных тел. Гипотеза П.С. Лапласа получила широкое

признание в первой половине XIX в., но потом оказалось, что ряд фактов не

укладывается в ее рамки. Например, нельзя объяснить, почему Солнце теперь

вращается вокруг своей оси относительно медленно, хотя во время сжатия оно

должно было вращаться столь быстро, что от него за счет центробежной силы

происходило бы отделение вещества.

Началом следующего этапа в развитии взглядов на образование Солнечной

системы послужила гипотеза английского физика и астрофизика Дж. X. Джинса.

Он предположил, что когда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в

результате чего из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь,

преобразовалась в планеты. Однако, учитывая огромное расстояние между

звездами, такое столкновение кажется совершенно невероятным. Более

детальный анализ выявил и другие недостатки этой теории.

Современные концепции происхождения планет Солнечной системы

основываются на том, что нужно учитывать не только механические силы, но и

другие, в частности электромагнитные. Эта идея была выдвинута шведским

физиком и астрофизиком X. Альфвеном и английским астрофизиком Ф. Хойлом.

Считается вероятным, что именно электромагнитные силы сыграли решающую роль

при зарождении Солнечной системы. Согласно современным представлениям,

первоначальное газовое облако, из которого образовались и Солнце и планеты,

состояло из ионизированного газа, подверженного влиянию электромагнитных

сил. После того как из огромного газового облака посредством концентрации

образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались небольшие

части этого облака. Гравитационная сила стала притягивать остатки газа к

образовавшейся звезде — Солнцу, но его магнитное поле остановило падающий

газ на различных расстояниях — как раз там где находятся планеты.

Гравитационная и магнитные силы повлияли на концентрацию и сгущение

падающего газа, в результате чего образовались планеты. Когда возникли

самые крупные планеты, тот же процесс повторился в меньших масштабах,

создав таким образом системы спутников. Теории происхождения Солнечной

системы носят гипотетический характер, и однозначно решить вопрос об их

достоверности на современном этапе развития науки невозможно. Во всех

существующих теориях имеются противоречия и неясные места.

3)Современные космологические модели Вселенной.

Как указывалось в предыдущей главе, в классической науке существовала

так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой

Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Астрономия была

статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды,

создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об

эволюции Вселенной не ставился.

Классическая ньютоновская космология явно или неявно принимала

следующие постулаты:

. Вселенная — это всесуществующая, "мир в целом". Космология познает

мир таким, как он существует сам по себе, безотносительно к

условиям познания.

. Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от

материальных объектов и процессов.

. Пространство и время метрически бесконечны.

. Пространство и время однородны и изотропны.

. Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут

конкретные космические системы, но не мир в целом.

Современные космологические модели Вселенной основываются на общей

теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства

и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее

свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими

конкретно-физическими факторами. Современная релятивистская космология

строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения

тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности.

Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и

обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая

модель была разработана самим Л. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил

постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности

пространства и времени. В соответствии с космологической моде лью Вселенной

А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем

распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс

компенсируется универсальным космологическим отталкиванием.

Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной,поскольку она

согласовывалась со всеми известными фактами. Но новые идеи, выдвинутые А.

Эйнштейном, стимулировали дальнейшее исследование, и вскоре подход к

проблеме решительно изменился.

В том же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер предложил другую

модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение

имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае "пустой"

Вселенной, свободной oт материи. Если же в такой Вселенной появлялись

массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода

космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от

друга и растворить всю систему. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру,

становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.

В 1922 г. российский математик и геофизик Л.А. Фридман о (бросил

постулат классической космологии о стационарности Вселенной и дал принятое

в настоящее время решение космологической проблемы.

Решение уравнений А.А. Фридмана, допускает три возможности. Если

средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой

критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и

Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния.

Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией

Лобачевского и так же неограниченно расширяется. И, наконец, если плотность

больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым,

расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается

вплоть до первоначального точечного состояния. По современным данным,

средняя плотность материи во Вселенной меньше критической, так что более

вероятной считается модель Лобачевского, т.е. пространственно бесконечная

расширяющаяся Вселенная. Не исключено, что некоторые виды материи, которые

имеют большое значение для величины средней плотности, пока остаются

неучтенными. В связи с этим делать окончательные выводы о конечности или

бесконечности Вселенной пока преждевременно.

Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Первым

к поискам данных о движении спиральных галактик обратился В. де Ситтер.

Обнаружение эффекта Доплера, свидетельствовавшего об удалении галактик,

дало толчок дальнейшим теоретическим исследованиям и новым улучшенным

измерениям расстояний и скоростей спиральных туманностей.

В 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил

существование странной зависимости между расстоянием и скоростью

галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая

возрастает пропорционально расстоянию,— система галактик расширяется.

Но то, что в настоящее время Вселенная расширяется, еще не позволяет

однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели.

4)Этапы космической эволюции.

Как бы ни решался вопрос о многообразии космологических моделей,

очевидно, что наша Вселенная расширяется, эволюционирует. Время ее эволюции

от первоначального состояния оценивается приблизительно в 20 млрд лет.

Возможно, более подходящей является аналогия не с элементарной

частицей, а со сверхгеном, обладающим огромным набором потенциальных

возможностей, реализующихся в процессе эволюции. В современной науке

выдвинут гак называемый антропный принцип в космологии. Суть его

заключается в том, что жизнь во Вселенной возможна только при тех значениях

универсальных постоянных, физических констант, которые в действительности

имеют место. Если значение физических констант имело бы хоть ничтожное

отклонение от существующих, то возникновение жизни было бы в принципе

невозможно. Это значит, что уже в начальных физических условиях

существования Вселенной заложена возможность возникновения жизни.

От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению

в результате Большого взрыва, заполнившего все пространство. В итоге каждая

частица материи устремилась прочь от любой другой.

Всего лишь через одну сотую секунды после взрыва Вселенная имела

температуру порядка 100 000 млн град, по Кельвину. При такой температуре

(выше температуры центра самой горячей звезды) молекулы, атомы и даже ядра

атомов существовать не могут. Вещество Вселенной пребывало в виде

элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны,

нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и

нейтроны Плотность вещества Вселенной спустя 0,01 с после взрыва была

огромной - в 4 000 млн paз больше, чем у воды

В конце первых тpеx минут после взрыва температура вещества Вселенной,

непрерывно снижаясь, достигла 1 млрд град. При этой все еще очень высокой

температуре начали образовываться ядра атомов, в частности, ядра тяжелого

водорода и гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут

состояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино.

СОДЕРЖАНИЕ.

1.ВВЕДЕНИЕ.

стр.

2.МАКРОМИР: концепции классического естествознания.

стр.

3.МИКРОМИР: концепции современной физики.

стр.

1)Фундаментальные открытия в области физики

конца 19-начала 20 вв.

стр.

2)Рождение и развитие представлений о квантах.

стр.

3)Теория атома Н.Бора.

стр.

4)Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике.

стр.

4.МЕГАМИР: современные астрофизические и

космологические концепции.

стр.

1)Звездная форма бытия космической материи.

стр.

2)Планеты.

стр.

3)Современные космологические модели

Вселенной.

стр.

4)Этапы космической эволюции.

стр.

5.ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

стр.

6.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

стр.

5.ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Все вышеизложенные революционные открытия в физике

перевернули ранее существующие взгляды на мир. Исчезла

убежденность в универсальности законов классической механики, ибо

разрушились прежние представления о неделимости атома, о постоянстве

массы, о неизменности химических элементов и т.д. Теперь уже вряд

ли можно найти физика, который считал бы, что все проблемы его

науки можно решить с помощью механических понятий и уравнений.

Рождение и развитие атомной физики, таким образом, окончательно

сокрушило прежнюю механистическую картину мира. Но классическая

механика Ньютона при этом не исчезла. По сей день она занимает

почетное место среди других естественных наук. С ее помощью,

например, рассчитывается движение искусственных спутников Земли,

других космических объектов и т.д. Но трактуется она теперь как

частный, случай квантовой механики, применимый для медленных движений

и больших масс объектов макромира.

6.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1.Концепции современного естествознания: Серия. “Учебники и учебные

пособия’’

Ростов на Дону : ред. «Феникс» , 2000.-576с.

2.Концепции современного естествознания. Учебник под ред. В.Н.

Лавриенко. Москва.: ЮНИТИ . 1997 г.

3. Г.Г. Гранатов.

Идейно-понятийное содержание современного естествознания : Учебно-

методическое пособие. - Магнитогорск: МаГУ, 2001. –183с.

4.А.А. Горелов.

Концепции современного естествознания. –М.: Центр, 1998. – 208с.

Магнитогорский Государственный Университет.

Реферат

по Концепциям современного естествознания

на тему: Структурные уровни организации материи: концепции микро-,

макро-, мегамиров.»

Выполнила: студентка 2 курса

202 гр., ф-та ПиМНО

Островская Елена

Проверила: преподаватель

Кузина Г.Ф.

Магнитогорск

2002