Структурные уровни организации материи. Микро-, макро- и мегамиры

Микро-, макро- и мегамиры.

Материя – это бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения. В основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное образование, включающее в себя составные части, организованные в целостность.

Современная наука выделяет в мире три структурных уровня.

Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы - мир предельно малых, непосредственно не наблю­даемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10 -8 до 10 -16 см, а время жизни - от бесконечно­сти до 10 -24 с.

Макромир - мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин, а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов; мир макрообъектов, размерность которых соот­носима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, годах.

Мегамир - это планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики – 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.

На микроскопическом уровне физика сегодня занимается изучением процессов, разыгрывающихся на длинах порядка 10 в минус восемнадцатой степени см., за время - порядка 10 в минус двадцать второй степени с. В мегамире ученые с помощью приборов фиксируют объекты, удаленные от нас на расстоянии около 9-12 млрд. световых лет.

Микромир.

Демокритом в античности была выдвинута Атомистическая гипотеза строения материи. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свой­ства атома. В XIX в. Д. И. Менделеев построил систему хими­ческих элементов, основанную на их атомном весе.

В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии. Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А. А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном превращении атомов одних элементов в атомы других элемен­тов. В 1895 г. Дж. Томсон открыл электрон - отрица­тельно заряженную частицу, входящую 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. Существовало несколько моделей строения атома.

Выявлены специфические качества микрообъектов, выражающиеся в наличии у них как корпускулярных (частицы), так и световых (волны) свойств. Элементарные частицы – простейшие объекты микромира, взаимодействующие как единое целое. Известно более 300 разновидностей. В первой половине ХХ в. были открыты фотон, протон, нейтрон, позднее – нейтрино, мезоны и другие. Основные характеристики элементарных частиц: масса, заряд, среднее время жизни, квантовые числа. Все элементарные частицы, абсолютно нейтральны, имеют свои античастицы - элементарные частицы, обладающие теми же характеристиками, но отличающиеся знаками электрического заряда. При столкновении частиц происходит их уничтожение (аннипиляция).

Стремительно возрастает количество открытых элементарных частиц. Их объединяют в «семейства» (мультиплеты), «роды» (супермультиплеты), «племена» (адроны, лептоны, фотоны и т.п.). Некоторые частицы группируются по принципу симметрии. Например, триплет из трёх частиц (кварков) и триплет из трёх античастиц (антикварков). К концу ХХ века физика приблизилась к созданию стройной теоретической системы, объясняющей свойства элементарных частиц. Предложены принципы, позволяющие дать теоретический анализ многообразия частиц, их взаимопревращений, построить единую теорию всех видов взаимодействий.

Макромир.

В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный. Донаучный, или натурфилософский, охватывает период от античности до становления экспериментального естествозна­ния в XVI-XVII вв. 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.

Со становления классической механики начинается научный этап изучения природы. 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. 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. Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий.

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.

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 X. 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. М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Его работы стали исходным пунктом исследований Дж. К. Максвелла, заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. 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» .

После экспериментов Г. Герца в физике окончательно утвердилось понятие поля не в качестве вспомогательной математической конструкции, а как объективно существующей физической реальности. В результате же последующих революционных открытий в физике в конце прошлого и начале нынешнего столетий оказались разрушенными представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи.

Мегамир.

Все существующие галактики входят в систему самого высо­кого порядка - Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15- 20 млрд. световых лет. Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» - очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» - тот же мир, но с точки зрения его структуры - как упорядоченную систему га­лактик.

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. Время существования Вселенной бесконечно, т.ё. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

В 1929 году 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. Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10 -12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 10 96 г/см 3 . В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва.

Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13-20 млрд. лет. Г.А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюцию Вселенной делят на “эры” :

Эра адронов. Тяжелые частицы, вступающие в сильные взаимодействия;

Эра лептонов. Легкие частицы, вступающие в электромагнитное взаимодействие;

Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная доля массы - энергии Вселенной - приходится на фотоны;

Звездная эра. Наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.

Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.

В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва весьма популярна инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается творение Вселенной. Идея творения имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой кос­мологией. В этой модели описывается эволюция Вселенной, начиная с момента 10 -45 с после начала расширения. В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов.

Начало Вселенной определяется физиками-теоретиками как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10 -50 см

Стадия инфляции. В результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние возбужденного вакуума и в отсутствие в ней вещества и излучения интенсивно расширялась по экспоненциальному закону. В этот период создавалось само пространство и время Вселенной. За период инфляционной стадии продолжительностью 10 -34 . Вселенная раздулась от невообразимо малых квантовых размеров 10 -33 до невообразимо больших 10 1000000 см, что на много порядков превосходит размер наблюдаемой Вселенной - 10 28 см. Весь этот первоначаль­ный период во Вселенной не было ни вещества, ни излучения.

Переход от инфляционной стадии к фотонной. Состояние ложного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые, проаннигилировав, дали мощную вспышку излучения (света), осве­тившего космос.

Этап отделения вещества от излучения: оставшееся после аннигиляции вещество стало прозрачным для излучения, контакт между веществом и излучением пропал. Отделившееся от веще­ства излучение и составляет современный реликтовый фон, теоретически предсказанный Г. А. Гамовым и экспериментально обнаруженный в 1965 г.

В дальнейшем развитие Вселенной шло в направлении от максимально простого однородного состояния к созданию все более сложных структур - атомов (первоначально атомов водорода), галактик, звезд, планет, синтезу тяжелых элементов в недрах звезд, в том числе и необходимых для создания жизни, возникновению жизни и как венца творения - человека.

Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляционной модели и модели Большого взрыва касается только первоначального этапа порядка 10 -30 с, далее между этими моделями принципиальных расхождений в понимании этапов космической эволюции нет.

Вселенной на самых разных уровнях, от условно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты.

Метагалактика – представляет собой совокупность звездных систем – галактик, а ее структура определяется их распределение в пространстве, заполненном чрезвычайно разреженным межгалактическим газом и пронизываемом межгалактическими лучами. Согласно современным представлениям, для метагалактики характерно ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Возраст Метагалактики близок к возрасту Вселенной, поскольку образование структуры приходиться на период, следующий за разъединением вещества и излучение. По современным данным, возраст Метагалактики оценивается в 15 млрд. лет.

Галактика – гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.

По форме галактики условно распределяются на три типа: эллиптические, спиральные, неправильные.

Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спут­ников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела - Солнца. Солнечная система является упорядоченной системой, имеющей свои закономерности строения. Единый характер Солнечной системы проявляется в том, что все планеты вра­щаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Солнце, планеты, спутники планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям. Закономерно и строение Солнечной системы: каждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая.

Первые теории происхождения Солнечной системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским математиком П. С. Лапласом. Согласно этой гипотезе система планет вокруг Солнца образовалась в результате действия сил притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи (туманности), находящейся во вращательном движении вокруг Солнца.

Издавна люди пытались найти объяснение многообразию и причудливости мира. Изучение материи и её структурных уровней является необходимым условием формирования мировоззрения, независимо от того, окажется ли оно, в конечном счете, материалистическим или идеалистическим.

Достаточно очевидно, что очень важна роль определения понятия материи, понимания последней как неисчерпаемой для построения научной картины мира, решения проблемы реальности и познаваемости объектов и явлений микро, макро и мега миров.

Список использованной литературы

1. Ващекин Н.П., Лось В.А., Урсул А.Д. «Концепции современного естествознания», М.: МГУК, 2000.

2. Горелов А.А. «Концепции современного естествознания », М.: Высшее образование, 2006.

3. Козлов Ф.В. Справочник по радиационной безопасности.- М.: Энергоатом – издат, 1991.

4. Криксунов Е.А., Пасечник В.В., Сидорин А.П., Экология, М., Издательский дом "Дрофа", 1995.

5. Поннамперума С. «Происхождение жизни», М., Мир, 1999 г.

6. Сивинцев Ю.В. Радиация и человек. - М.: Знание, 1987.

7. Хотунцев Ю.М. Экология и экологическая безопасность. - М.: АСADEMA, 2002.

Введение
Материя (лат.) - объективная реальность, которая дана человеку в его ощущениях и существует независимо от них, некая субстанция, основа всех реально существующих объектов и систем, их свойств, связей между ними и форм движения, есть то, из чего состоят все тела. Формы существования материи - пространство и время.
Современное научное знание основано на структурности материи и системном подходе. Система - это определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к другим объектам или условиям. В понятие системы входит совокупность элементов и связей между ними. Под элементом системы понимается компонент системы, который далее, внутри данной системы, рассматривается как неделимый, под структурной организацией материи - ее иерархическое строение - любой объект от микрочастиц до организмов, планет и галактик является частью более сложного образования и сам может считаться таковым, т. е. состоящим из неких составных частей. Доступная для наблюдения часть мира простирается в пространстве от 10 -17 до 10 26 м, а во времени - до 2 10 10 лет.
Окружающий нас мир современная наука разделяет на три области: микромир, макромир и мегамир. Это стало возможным в результате многовекового изучения природы человеком. Критерием для выделения различных структурных уровней служат следующие признаки: пространственно-временные масштабы; совокупность важнейших свойств; специфические законы движения; степень относительной сложности, возникающей в процессе исторического развития материи в данной области мира.
Микромир - это область природы, доступная человеку посредством приборов (микроскопы, рентгеноанализ и др.). Закономерности здесь для нас непонятны, и мы экстраполируем сюда наши понятия. Макромир - это область природы, доступная нам, т. е. область наших закономерностей. Мегамир нам труднодоступен; это область крупных объектов, больших размеров и расстояний между ними. Эти закономерности мы изучаем опосредованно. В этих областях имеется следующая иерархия объектов: микромир - это вакуум, элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы, клетки; макромир - это макротела (твердые тела, жидкости, газы, плазма), индивид, вид, популяция, сообщество, биосфера; мегамир - это планеты, звезды, галактики, Метагалактика, Вселенная.
В настоящее время предположено К.Х. Рахматуллиным еще два гипотетических уровня – гипомир (микромир в микромире) и гипермир (сверхмегамир). Однако они не стали пока экспериментально наблюдаемыми, достоверно установленными.

Микромир
Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микросистем с характерным размером 10 -10 - 10 -18 м. Это мир - от атомов до элементарных частиц. При этом для микромира свойственен корпускулярно-волновой дуализм, т.е. любой микрообъект обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Описание микромира опирается на принцип дополнительности Н. Бора и соотношения неопределенности Гейзенберга. Мир элементарных частиц, которые долго считали элементарными «кирпичиками», подчиняется законам квантовой механики, квантовой электродинамики, квантовой хромодинамики. Квантовое поле носит дискретный характер.
Основными понятиями, относящимися к микромиру, являются: элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы и клетки.
Элементарные частицы - мельчайшие известные частицы физической материи. Все известные элементарные частицы подразделяются на две группы: адроны и лептоны. Предполагается, что адроны имеют составное строение: состоят из истинно элементарных частиц-кварков. И причем допускается существование шести типов кварков.
Стабильными, т. е. живущими в свободном состоянии неограниченно долго, частицами являются протон, электрон, фотон и, по-видимому, нейтрино всех типов. Время жизни протона составляет 10 31 лет. Самыми короткоживущими образованиями являются резонансы - их время жизни порядка 10 -23 с.
Объединение релятивистских и квантовых представлений, осуществленное в значительной степени еще в 30-е годы, привело к одному из наиболее выдающихся предсказаний в физике - открытию мира античастиц. Частица и соответствующая ей античастица имеют одинаковые времена жизни, одинаковые массы, их электрические заряды равны, но противоположны по знаку. Самым характерным свойством пары частица-античастица является способность аннигилировать (самоуничтожаться) при встрече с превращением в частицы другого рода. Античастицы могут собираться в антивещество. Несмотря на микроскопическую симметрию между частицами и античастицами, во Вселенной не обнаружены области со сколько-нибудь заметным содержанием антивещества. Частицы и их античастицы одинаково взаимодействуют с полем тяготения, что указывает на отсутствие "антигравитации".
Ядра. Атомные ядра - это связанные системы протонов и нейтронов. Массы ядер всегда несколько меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов, составляющих ядро. Это релятивистский эффект, определяющий энергию связи ядра. Известны ядра с зарядом, равным от одного заряда протона до 109 зарядов протона и с числом протонов и нейтронов (т. е. нуклонов) от 1 до примерно 260. Плотность числа частиц в многонуклонных ядрах порядка 10 44 нуклонов/м 3 , а плотность массы 10 17 кг/м 3 . "Радиусы" ядер изменяются от2х10 -15 м (ядро гелия) до 7 х 10 -15 м (ядро урана). Ядра имеют форму вытянутого или сплюснутого эллипсоида (или еще более сложную).
Ядро как квантовая система может находиться в различных дискретных возбужденных состояниях. В основном состояния ядра могут быть стабильными (устойчивыми) и нестабильными (радиоактивными). Время, за которое из любого макроскопического количества нестабильных ядер распадается половина, называют периодом полураспада. Периоды полураспада известных нам элементов изменяются в пределах примерно от 10 18 лет до 10 -10 с.
Атомы. Они состоят из плотного ядра и электронных орбит. Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены роем отрицательно заряженных электронов. В целом атом электронейтрален. Атом есть наименьшая структурная единица химических элементов. В отличие от "плотной упаковки" ядерных частиц атомные электроны образуют весьма рыхлые и ажурные оболочки. Существуют жесткие правила "заселенности" электронами орбит вокруг ядра. Электроны, находящиеся на самых верхних этажах "атомного дома", определяют реакционную способность атомов, т. е. их способность вступать в соединение с другими атомами. У большинства элементов атомы химически нестабильны. Атом стабилен, если его внешняя оболочка заполнена определенным числом электронов. Атомы с незаполненными внешними оболочками вступают в химические реакции, образуя связи с другими атомами.
Молекулы . Молекула есть наименьшая структурная единица сложного химического соединения. Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химических соединений, составляет миллионы. Качественно молекула - это определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного химического взаимодействия объединены в частицы. При затрате определенной энергии устойчивая молекула может быть разложена на атомы.
Некоторые атомы (например, углерода и водорода) способны образовывать сложные молекулярные цепи, являющиеся основой для образования еще более сложных структур (макромолекул), которые проявляют уже биологические свойства, т. е. свойства живого.
Клетка. За 3 млрд лет существования на нашей планете живое вещество развилось в несколько миллионов видов, но все они - от бактерий до высших животных - состоят из клеток. Клетка - это организованная часть живой материи: она усваивает пищу, способна существовать и расти, может разделиться на две, каждая из которых содержит генетический материал, идентичный исходной клетке. Клетки служат элементарными структурами на онтогенетическом уровне организации жизни. Клетка состоит из ядра и цитоплазмы. От окружающей среды клетка отделена плазматической мембраной, которая регулирует обмен между внутренней и внешней средой и служит границей клетки. В каждой клетке содержится генетический материал в форме ДНК, регулирующей жизнедеятельность и самовоспроизведение. Размеры клеток измеряются в микрометрах (мкм) - миллионных долях метра и нанометрах (нм) - миллиардных долях. Клетки существуют как самостоятельные организмы (простейшие бактерии) или входят в состав многоклеточных организмов.
Концепции современной физики
Первоначально мысль о том, что материя может состоять из отдельных частиц, впервые была высказана Левкипом из Милета (Др. Греция) в V в. до н. э. Эту идею развил его ученик Демокрит, который и ввел слово «атом» (от греч. «атомос», что значит «неделимый»). В начале XIX века Джон Дальтон возродил это слово, подведя научную основу под умозрительные идеи древних греков. Согласно Дальтону, атом – это крошечная неделимая частица материи, принимающая участие в химических реакциях.
Простые представления об атоме, принадлежащие Дальтону, были поколеблены в 1897 году, когда Дж. Томпсон установил, что атомы могут испускать еще меньшие отрицательно заряженные частицы (позднее названные электронами). Стало очевидным, что атом обладает внутренней структурой. Это открытие указывало на то, что атом должен содержать и положительные заряды. Томпсон предположил, что электроны рассеяны в положительно заряженном атоме, подобно изюминкам в булке. Эта модель не позволяла объяснить некоторые свойства атомов, однако более совершенную модель удалось создать лишь после открытия радиоактивного излучения. Явление радиоактивности было открыто Беккерелем, который обнаружил, что атомы урана самопроизвольно испускают излучение. Известны три формы этого излучения: ? – поток протонов и нейтронов, ? – отрицательно заряженные электроны и? – коротковолновое магнитное излучение, не несущее заряда.
В 1911 г. Э. Резерфорд предложил совершенно новую модель атома – планетарную, основанную на результатах его собственных экспериментов и экспериментов Ханса Гейгера, в которых измерялось расстояние?-частиц при прохождении через золотую фольгу. Согласно модели Резерфорда, положительный заряд и основная масса атома сосредоточены в центральном ядре, вокруг которого движутся электроны. Позже Резерфорд установил, что положительный заряд ядра несут частицы в 1836 раз более тяжелые, чем электрон. Он назвал их протонами. Число протонов называют атомным номером, причем оно всегда равно числу окружающих ядро электронов. Позднее было установлено, что все ядра атомов (кроме ядра водорода), содержат незаряженные частицы – нейтроны с массой, почти равной массе протона.
Модель атома Резерфорда, однако, была неустойчивой, так как вращающиеся электроны, теряя свою энергию, в конце концов, должны были бы упасть на ядро. Атомы же являются весьма устойчивыми образованиями, для разрушения которых требуются огромные силы.
Датский физик Нильс Бор, сделавший следующий важный шаг на пути создания модели атома, опирался на две другие области исследований. Первая из них – квантовая теория, вторая – спектроскопия. Впервые идея квантования была высказана Максом Планком в 1900г для объяснения механизма излучения тепла и света нагретым телом. Планк показал, что энергия может излучаться и поглощаться только определенными порциями или квантами.
Бор постулировал, что движущийся электрон в атоме водорода может существовать только на фиксированных орбитах, а спектральные линии водорода соответствуют поглощению или излучению кванта энергии. Эти процессы происходят, когда электрон «перепрыгивает» с одной фиксированной орбиты на другую.
В результате орбиты Бора оказались не точными траекториями электрона, а местами его наиболее вероятного обнаружения в атоме. Согласно идее корпускулярноволнового дуализма, впервые высказанной Луи де Бройлем, субатомные частицы можно описывать так же, как и свет, в том смысле, что в одних случаях для этого целесообразно пользоваться понятием «частица», а в других – «волна».
Однако с точки зрения химии представление об атоме как о мельчайшей частичке материи, принимающей участие в химических реакциях, по-прежнему остается наиболее удобным.
С физикой ядра связано явление радиоактивности, сопровождающееся выделением огромного количества ядерной энергии.
Когда масс-спектрометры – приборы, позволяющие измерять массы отдельных ионов и ядер, – достигли достаточно высокой точности, обнаружилось, что массы ядер не равны сумме масс составляющих их протонов и нейтронов. В соответствии с релятивистской формулой Эйнштейна Е=mс2, эта разность масс и является источником ядерной энергии.
Современная теория рассматривает ядро как исходную каплю, состоящую из протонов и нейтронов. Если ядро распадается на две приблизительно равные части, то такой процесс называется делением; если ядро испускает одну или больше частиц то это радиоактивный распад; когда же два ядра соединяются вместе, говорят о ядерном синтезе.
Таким образом, к 1932 г. было установлено, что атомы состоят из субатомных (элементарных) частиц – протонов и нейтронов, образующих положительно заряженное ядро, и обращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.
Английский физик П.А. Дирак предсказал существование позитрона – античастицы электрона, которая экспериментально была открыта в 1934 г.
Чтобы получить законченную картину строения материи, необходимо охарактеризовать не только сами субатомные частицы, но и способ, которым они удерживаются друг возле друга, т.е. их взаимодействие. Установлены четыре типа взаимодействий. 1)Гравитационное взаимодействие вызывает притяжение между объектами пропорционально их массе (действие на макроуровне). 2)Электромагнитное взаимодействие имеет место между частицами, обладающими электрическим зарядом. Оно гораздо сильнее гравитационного и обуславливает притяжение между ядрами и электронами.
3)Сильное взаимодействие действует внутри самого ядра. Оно примерно в 1000 раз сильнее электромагнитного и действует на расстояниях, сравнимых с размером ядра < 10 -12 см. 4)Слабое взаимодействие – в триллион раз слабее электромагнитного. Оно наблюдается в ряде процессов, связанных с превращением частиц, например, при?–распаде, в котором нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино.
Предложены различные способы объяснения взаимодействий. В одном из них используют понятие сил поля. В другой модели взаимодействия, основанной на квантовой механике, используется идея обмена виртуальными частицами. Две заряженные частицы взаимодействуют, испуская и поглощая фотоны. Гравитационное взаимодействие объясняют обменом гипотетическими частицами, называемыми гравитонами. В 1935г. Хидеки
Юкава предположил, что сильное взаимодействие, «скрепляющее» ядра, обусловлено обменом некой частицей, значение массы которой лежит в пределах между массами протона и электрона. Сегодня эта частица, названная?–мезоном или пионом, известна. Другая частица, промежуточный векторный бозон, была предложена для объяснения слабых взаимодействий, но обнаружить ее до сих пор не удалось.
При исследованиях космических лучей и в экспериментах, проведенных на ускорителях, было открыто много других частиц. Сейчас известно более 400 субатомных (элементарных) частиц, большинство из которых нестабильно. Они характеризуются определенной массой, зарядом и средним временем жизни частицы. Многочисленные субатомные частицы классифицируются по группам. Частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, называются адронами; к ним относятся нуклоны (протоны и нейтроны); частицы, не принимающие участия в сильных взаимодействиях, называются лептонами, среди них – электроны и нейтрино.
Одну из основных своих задач физика высоких энергий видит в создании единой теории, объясняющей и связывающей все четыре типа взаимодействий, а также существование и поведение такого множества элементарных частиц.

Макромир
Макромир – мир макротел, начиная от макромолекул (размеры от 10 –6 см и выше) до объектов, размерность которых соотносима с масштабами непосредственного человеческого опыта – миллиметры, сантиметры, километры, вплоть до размеров Земли(40 000 км).
Частицами, связывающими микро- и макроуровни материи, считают молекулы. Они, состоящие из атомов, построены аналогично, но объем, занимаемый здесь электронными орбиталями, несколько больше, и молекулярные орбитали ориентированы в пространстве. В результате каждая молекула имеет определенную форму. Для сложных молекул, особенно органических, форма имеет решающее значение. Состав, пространственное строение молекул определяют свойства вещества. Виды связей ионов, структуру веществ и молекул, химические системы и химические реакции рассмотрим позже при изучении темы «Химические системы и процессы».
При определенных условиях однотипные атомы и молекулы могут собираться в огромные совокупности - макроскопические тела (вещество). Вещество - вид материи; то, из чего состоит весь окружающий мир. Вещества состоят из мельчайших частиц - атомов, молекул, ионов, элементарных частиц, имеющих массу и находящихся в постоянном движении и взаимодействии. Существует огромное множество веществ, различных по составу и свойствам. Вещества делятся на простые, сложные, чистые, неорганические и органические. Свойства веществ можно объяснить и предсказать на основе их состава и строения.
Вещество простое состоит из частиц (атомов или молекул), образованных атомами одного химического элемента. Например, 0 2 (кислород), 0 3 (озон), S (сера), Ne (неон) - простые вещества.
Вещество сложное состоит из частиц, образованных атомами различных химических элементов. Например, H 2 S0 4 (серная кислота); FeS (сульфид железа); СН 4 (метан) - сложные вещества.
Вещество чистое - вещество, состоящее из одинаковых частиц (молекул, атомов, ионов), обладающее определенными специфическими свойствами. Для очистки веществ от примесей используют различные методы: перекристаллизацию, дистилляцию, фильтрование.
Вещества неорганические - это химические соединения, образуемые всеми химическими элементами (кроме соединений углерода, относящихся к органическим веществам). Неорганические вещества образуются на Земле и в космосе под воздействием природных физико-химических факторов. Известно около 300 тысяч неорганических соединений. Они образуют практически всю литосферу, гидросферу и атмосферу Земли. В их состав могут входить атомы всех химических элементов, известных в настоящее время, в различных сочетаниях и количественных соотношениях. Кроме того, огромное количество неорганических веществ получают в научных лабораториях и на химических предприятиях искусственно. Все неорганические вещества делятся на группы со сходными свойствами (классы неорганических соединений).
Вещества органические - это соединения углерода с некоторыми другими элементами: водородом, кислородом, азотом, серой. Из соединений углерода к органическим не относятся оксиды углерода, угольная кислота и ее соли, являющиеся неорганическими соединениями. Название "органические" эти соединения получили в связи с тем, что первые представители этой группы веществ были выделены из тканей организмов. Долгое время считалось, что подобные соединения нельзя синтезировать в пробирке, вне живого организма. Однако в первой половине XIX в. ученым удалось получить искусственно вещества, которые ранее извлекали только из тканей животных и растений или продуктов их жизнедеятельности: мочевину, жир и сахаристое вещество. Это послужило доказательством возможности искусственного получения органических веществ и началом новых наук - органической химии и биохимии. Органические вещества обладают рядом свойств, отличающих их от неорганических веществ: они неустойчивы к действию высоких температур; реакции с их участием протекают медленно и требуют особых условий. К органическим соединениям относятся нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, липиды, гормоны, витамины и многие другие вещества, играющие основную роль в построении и жизнедеятельности растительных и животных организмов. Пища, топливо, многие лекарства, одежда - все это состоит из органических веществ.
Наиболее важными объектами макромира выступают: индивид, вид, популяция и биосфера.
Индивид (индивидуум, особь) - элементарная неделимая единица жизни на Земле. Разделить индивид на части без потери "индивидуальности" невозможно. Конечно, в ряде случаев вопрос об определении границ индивида, особи не столь прост и самоочевиден. С эволюционной точки зрения индивидуумом следует считать все морфофизиологические единицы, происходящие от одной зиготы, гаметы, споры, почки и индивидуально подлежащие действию элементарных факторов. На онтогенетическом уровне единицей жизни служит индивид с момента ее возникновения до смерти. Через оценку индивидуума в процессе естественного отбора происходит проверка жизнеспособности данного генотипа. Индивиды в природе не абсолютно изолированы друг от друга, а объединены более высоким рангом биологической организации на популяционно-видовом уровне.
Вид . Сущность биологической концепции вида заключается в признании того, что виды реальны, состоят из популяций, а все особи вида имеют общую генетическую программу, которая возникла в ходе предшествующей эволюции. Виды определяются не столько различиями, сколько обособленностью. Из биологической концепции вида вытекают критерии, позволяющие отличать один вид от другого: 1. Морфологический критерий вида есть характеристика особенностей строения, совокупность его признаков. 2. Генетический критерий утверждает, что каждый вид имеет свойственный ему набор хромосом, характеризующийся определенным числом хромосом, их структурой и дифференциальной окраской. 3. Эколого-географический критерий вида включает как ареал обитания, так и непосредственную среду обитания вида - его экологическую нишу. 4. К важнейшей характеристике вида, размножающегося половым путем, относится репродуктивная изоляция. Он является результатом эволюции всей генетической системы данного вида и охраняет его от проникновения генетической информации извне. Итак, каждый критерий в отдельности недостаточен для определения вида, только в совокупности они позволяют точно выяснить видовую принадлежность живого организма. Наиболее существенной характеристикой вида является то, что он представляет собой генетически единую систему.
Таким образом, вид - совокупность географически и экологически близких популяций, способных в природных условиях скрещиваться между собой, имеющих единый генетический фонд, обладающих общими морфофизиологическими признаками, биологически изолированных от популяций других видов.
Популяция. Совокупность особей одного вида, длительно населяющих определенное пространство, размножающихся путем свободного скрещивания и в той или иной степени изолированных друг от друга, называют популяцией. В генетическом смысле популяция - это пространственно-временная группа скрещивающихся между собой особей одного вида. Популяция является элементарной биологической структурой, способной к эволюционным изменениям. Популяции оказываются элементарными единицами, а виды - качественными этапами процесса эволюции. Совокупность генотипов всех особей популяции об разует генофонд.
Популяции разных видов всегда образуют в биосфере Земли сложные сообщества - биоценозы. Биоценоз - совокупность растений, животных, грибов и прокариот, населяющих участок суши или водоема и находящихся в определенных отношениях между собой. Вместе с конкретными участками земной поверхности, занимаемыми биоценозами, и атмосферой сообщество составляет экосистему. Экосистема - взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергий. Биогеоценоз - это такая экосистема, внутри которой не проходят биогенетические, микроклиматические, почвенные и гидрологические границы. Биогеоценоз - одна из наиболее сложных природных систем. Внешне заметные границы биогеоценозов чаще всего совпадают с границами растительных сообществ. Все группы экосистемы - продукт совместного исторического развития видов, различающихся по систематическому положению.
Биосфера. Взаимосвязь разных сообществ, обмен между ними веществом и энергией позволяют рассматривать все живые организмы Земли и среду их обитания как одну очень протяженную и разнообразную экосистему - биосферу. Биосфера - те части земных оболочек (лито, гидро- и атмосферы), которые на протяжении геологической истории подвергались влиянию живых организмов и несут следы их жизнедеятельности. Биогеоценозы, образующие в совокупности биосферу нашей планеты, взаимосвязаны круговоротом веществ и энергии. В этом круговороте жизнь на Земле выступает как ведущий компонент биосферы. Биогеоценоз представляет собой незамкнутую систему, имеющую энергетические "входы" и "выходы", связывающие соседние биогеоценозы. Обмен веществ между соседними биогеоценозами может осуществляться в газообразной, жидкой и твердой фазах, а также в форме живого вещества (миграции животных). Кроме живого вещества в составе биосферы есть косное (неживое) вещество, а также сложные по своей природе биокосные тела. В их состав входят как живые организмы, так и видоизмененное неживое вещество. К биокосным телам относятся почвы, илы, природные воды.

Мегамир
Мегамир – мир объектов космического масштаба от 10 9 см до 10 28 см. Этот диапазон включает размеры Земли, Солнечной системы, Галактики, Метагалактики.
Жесткой границы, разделяющей структурные уровни организации материи, не существует. При несомненном качественном различии они связаны конкретными процессами взаимопереходов. Наша Земля отнесена к уровню макромира, но в качестве одной из планет Солнечной системы она одновременно выступает и как элемент мегамира.
Планеты. Начальной ступенью в иерархии объектов мегамира являются планеты (в переводе с греческого - "блуждающие"). Планеты - это небесные тела, обращающиеся обычно вокруг звезд, отражающие их свет и не имеющие собственного видимого излучения. По размерам и массам они значительно меньше звезд. Земля меньше Солнца по размеру в 109 раз, а по массе 333 000 раз. Многие планеты имеют спутники, обращающиеся вокруг них. В Солнечной системе 9 больших планет: Меркурий, Венера, Земля с Луной, Марс с Фобосом и Деймосом, Юпитер с 16 спутниками, Сатурн с 17 спутниками, Уран с 16 спутниками, Нептун с 10 спутниками, Плутон с Хароном. Между орбитами Марса и Юпитера находятся более 5000 малых планет. Солнечной системе принадлежат также кометы и метеорные тела. В настоящее время неизвестно, имеются ли в Солнечной системе планеты, еще более удаленные от Солнца, чем Плутон; Можно только утверждать, что если такие планеты и есть, то они сравнительно невелики.
Астрофизики полагают, что 10% всех звезд имеют планетные системы. У 10 ближайших нам звезд они достоверно обнаружены. Например, одна из близких к Земле звезд - "летящая" Барнарда - имеет три планеты массами примерно равными массе Юпитера. Полагается, если скорость вращения звезд меньше (несколько км/с), чем обычно бывает у звезд (несколько десятков км/с), то они имеют планетную систему.
Звезды. Наиболее распространенными объектами окружающего нас материального мира являются звезды. Изученная нами часть окружающего пространства заполнена огромным количеством звезд - самых больших небесных тел, подобных нашему Солнцу, вещество которых находится в состоянии плазмы. Они имеют собственные видимые излучения и характеризуются различными размерами, массами, светимостями и временами жизни.
Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния, и тем самым практически изолированы. В окрестностях Солнца среднее расстояние между звездами примерно в 10 млн раз больше, чем средний диаметр звезд. Даже самая близкая к нам звезда - Проксима Центавра - удалена от нас на такое большое расстояние, что по сравнению с ним межпланетные расстояния в пределах Солнечной системы кажутся мизерными.
и т.д.................

МАКРОМИР И МИКРОМИР

МАКРОМИР И МИКРОМИР

МАКРОМИР И МИКРОМИР - две основные области материального мира, кардинально различающиеся характером своих закономерностей. Противопоставление макромира и микрокосмоса восходит к древнейшим натурфилософским концепциям макрокосмоса и микрокосмоса. Современные представления о макромире и микромире сложились в ходе становления квантовой теории и ее осмысления: объекты исследования доквантовой физики составляют макромир, а объекты, на базе которых разрабатывается , составляют микромир. Квантовая создавалась как теория структуры и свойств атома и процессов атомного масштаба; ныне же она лежит в основе физики элементарных частиц. С точки зрения представлений классической физики, законы квантовой теории оказались весьма странными и парадоксальными, что и определило концепции об особом своеобразном физическом мире. Высказывается , что квантовая теория представляет такой “плод человеческой , который более всякого другого научного достижения углубил и расширил наше мира” (Вайскопф В. Физика в двадцатом столетии. М., 1977, с. 34). Важнейшими особенностями квантовых представлений, позволяющими говорить об особом мире физических явлений, являются корпускулярно-волновой , принципиально вероятностный процессов микромира и относительность свойств микрообъекта, фиксируемых на макроуровне.

Исторически проникновение науки в область микропроцессов приводило к разработке научных теорий большой степени общности. Проникновение в структуру вещества привело к разработке классической статистической физики, а глубинных структур наследственности - к созданию генной теории. Познание атома породило квантовую теорию - наиболее фундаментальную в современной физике. “Микрофизика вчера, сегодня и, нужно думать, завтра, - как отметил отечественный физик В. Гинзбург, - была, есть и будет передним краем физики и всего естествознания” (Гинзбург В. О перспективах развития физики и астрофизики в конце 20 в. - Физика 20 в. Развитие и перспективы. М-, 1984, с. 299). Представления о макромире и микромире взаимодополняют и взаимообусловливают друг друга. Знание свойств и законов микромира позволяет раскрыть свойства и структуры объектов макромира, а макромира позволяет раскрыть богатство внутренних возможностей объектов микромира.

Развитие физики микромира преобразует и основные формы теоретического выражения знаний. В частности, при переходе от классической физики к физике микромира произошли изменения в нашем понимании элементарного - переход от представлений о бесструктурных атомах (материальных точек) к представлениям об элементарных событиях как о некоторых далее неразложимых (бесструктурных) актах взаимодействия. И , и особенно квантовая теория в своих построениях исходят из понятия события, пред

ставляющего собою бесструктурный элементарный . Как сказал отечественный физик А. Д. Александров, имея в виду структуру теории относительности: “Простейший элемент мира - это то, что называется событием. Оно представляет собою “точечное” вроде мгновенной вспышки точечной лампы или, пользуясь наглядными представлениями о пространстве и времени, явление, протяжением которого в пространстве и во времени можно пренебречь. Словом, аналогично точке в геометрии, и, подражая определению точки, данному Эвклидом, можно сказать, что событие - это явление, часть которого есть , оно есть “атомарное” явление. Всякое явление, всякий представляется как некоторая связная совокупность событий. С этой точки зрения весь рассматривается как событий” (Александров А. Д. О философском содержании теории относительности. - Эйнштейн и философские проблемы физики 20 в. М., 1979, с. 113). Анализу перехода от языка объектов к языку событий в ходе становления современной физики принципиальное придавал Б. Рассел (см.: Рассел Б. Человеческое . М., 1957. с. 358 и 497). Можно, т. о., утверждать, что мир макрофизики есть мир, построенный из объектов, а мир микрофизики есть мир, образованный из событий.

В современной физике элементарной сущности (как далее неразложимого, бесструктурного элемента) во многом остается открытой. Можно предположить, что при дальнейшем проникновении науки на глубинные уровни строения материи о простейшем, бесструктурном элементе изменит свой . Исходные явления физического мира с самого начала следует рассматривать как сложное, т. е. системным образом; при этом само системы выступает как первичное, фундаментальное. Тем самым изменится и характер теоретических построений в фундаментальных областях физики.

Ю. В. Сачков

Новая философская энциклопедия: В 4 тт. М.: Мысль . Под редакцией В. С. Стёпина . 2001 .

Смотреть что такое "МАКРОМИР И МИКРОМИР" в других словарях:

И микромир две специфические области объективной реальности, различающиеся уровнем структурной организации материи. Сфера макроявления это обычный мир, в к ром живет и действует человек (планеты, земные тела, кристаллы, большие молекулы и др.).… … Википедия

М. Мир очень больших величин. Ant: микромир Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 …

М. Мир очень малых величин. Ant: макромир Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой

Мухосранск вымышленный населённый пункт, обозначающий «провинциальный город, глушь, глухомань». Будучи квазитопонимом, характеризует описываемый объект с негативной стороны, указывая как на удалённость его от центра, так и «на… … Википедия

мировоззрение - МИРОВОЗЗРЕНИЕ систематическое единство многообразия обобщенных, непосредственно связанных с осознаваемыми интересами людей убеждений относительно сущности природных или социальных явлений, или же их совокупности. Несмотря на этимологию… … Энциклопедия эпистемологии и философии науки

- (греч. , от мир, Вселенная и, рождение), в совр. понимании раздел астрономии, изучающий происхождение космич. объектов и систем. Проблемы происхождения и эволюции Вселенной в целом изучает космология. Древнейшие представления о… … Философская энциклопедия

Запрос «Эйнштейн» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Альберт Эйнштейн Albert Einstein … Википедия

Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей … Википедия

Альберт Эйнштейн Albert Einstein Дата рождения: 14 марта 1879 Место рождения … Википедия

Книги

• Концепции современного естествознания , Гусев Дмитрий Алексеевич. Что такое наука? Когда и где она появилась? Какую роль она играет в жизни человека и общества? Почему под наукой в первую очередь подразумевается естествознание? Какпроисходит научное…

Государственный комитет Российской Федерации

по Высшему Образованию

М осковский Г осударственный У ниверситет Э кономики С татистики и И нформатики.

Факультет: Целевой Экономико-Правовой

Курсовая работа по КСЕ.

Тема: “Концепция Микро-, Макро-, Мегамира в естествознании”.

Руководитель:

Москва 1999 год.

Введение……………………………………………………………………………………..2

1. Макромир: концепции классического естествознания………………………….…3

2. Микромир: концепции современной физики……………………………………..…..7

2.1 Атомистическая концепция строения материи

3. Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции……....10

3.1 Современные космологические модели Вселенной

3.2 Проблема происхождения и эволюции Вселенной

3.3 Структура Вселенной

Заключение…………………………………………………………………………….….. 19

Список литературы………………………………………………………………………21

ВВЕДЕНИЕ.

Каждый человек-это загадка и в основном, загадка для самого себя. Наше общество, общество людей - это самая большая тайна, и конечно познать эту тайну, в силах не каждый, но каждый, я уверен, хотя бы в глубине души, пытается эту тайну для себя приоткрыть. Приоткрыть ее, познав себя самого.

Я думаю, что в этом вопросе, для меня лично, сможет помочь концепция современного естествознания. Ведь основная цель современного естествознания - познание мира, формирование нашего личного мировоззрения. Сейчас главная функция современного естествознания - технический прогресс. Современный мир сформировался в ряде факторов, основной из которых Научно-технический Прогресс (НТП). Основные особенности современного мира определяются НТП.

Научно-технический Прогресс - основа современной цивилизации. Ему всего 300-350 лет. Именно тогда возникла индустриальная цивилизация. НТП пропитывает всю цивилизацию (деятельность, жизнь людей). Все связано с НТП, даже культура (создана индустрия размножения продуктов культуры). Следующая цель - видимо - эмоции.

НТП вещь двоякая: у него есть как положительные, так и отрицательные черты. Положительные - улучшение комфорта, отрицательные - экологические (комфорт ведет к экологическому кризису) и культурные (в связи с развитием средств общения нет необходимости непосредственного контакта).

Отношение к нему тоже двоякое: несмотря на усиленное развитие Научно-технического Прогресса, на уровне культуры нет подобного роста. Даже, напротив, есть полярность. Одни говорят, что наука хорошо, другие - плохо.

Приведем результаты опроса по отношению к науке в Англии.

45 % - больше добра.

38 % - уравновешено.

11 % - больше зла.

В настоящее время изучение естественной науки сконцентрировано на трех главных фронтах: 1) изучение очень большого - (занимается астрономия, астрономы наблюдают все более отдаленные объекты и пытаются составить представление о том, как выглядит населяемый нами мир в макрокосмосе); 2) изучение очень малого - (представляет собой мир атомов. Мы сами и все вокруг нас состоит из атомов, для нас представляет первостепенный интерес, как мы сложены); 3) изучение очень сложного (эта область принадлежит биологии).

1. Макромир: концепции классического естествознания.

В истории изучения природы можно выделить два этапа:

донаучный и научный.

Донаучный, или натурфилософский, охватывает период от античности до становления экспериментального естествозна­ния в XVI-XVII 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 объяснялась 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. Галилей писал: «Никогда я не стану от внешних тел требовать чего-либо иного, чем величина, фигура, количество и более или менее быстрого движения для того, чтобы объяснить возникновение вкуса, запаха и звука» . 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.

Движение рассматривалось как перемещение в пространст­ве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Считалось, что все физические процессы можно све­сти к перемещению материальных точек под действием силы тяготения, которая является дальнодействующей.

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. Пригожий 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 излу­ченных 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 это 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, 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.

Явления интерференции и дифракции могли быть объясне­ны только в рамках волновой теории и не поддавались объяс­нению на основе механической корпускулярной теории света.

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 X. 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 достойна исследователя, который считал, что только тот нахо­дит великое, кто исследует маловероятное.

М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Его рабо­ты стали исходным 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». 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. 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. Герцем 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 электромагнитных волн. Зная частоту колебаний, он смог подсчитать скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равна скорости света. Это прямо под­твердило гипотезу Максвелла.

После экспериментов Г. Герца в физике окончательно 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 света, а скорость движения частиц вещества меньше ее на много порядков.

В результате же последующих революционных открытий в физике в конце прошлого и начале нынешнего столетий оказа­лись разрушенными представления классической физики о ве­ществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи.

2. Микромир: концепции современной физики.

Атомистическая концепция строения материи.

Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая в античности Демокритом, была возрождена в XVIII в. химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за еди­ницу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свой­ства атома. В XIX в. Д. И. Менделеев построил систему хими­ческих элементов, основанную на их атомном весе.

В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии. Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А. А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном Превращении атомов одних элементов в атомы других элемен­тов. Изучение радиоактивности было продолжено французски­ми физиками супругами Пьером и Марией Кюри, открывшими новые радиоактивные элементы полоний и радий.

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. Масса электрона составила по расчетам 1/1836 массы положительно заряженной частицы.

Исходя из огромной, по сравнению с электроном, массы положительно заряженной частицы, английский физик У. Томсон (лорд Кельвин) предложил в 1902 г. первую модель атома -положительный заряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг». Эта Идея была развита Дж. Томсоном. Модель атома Дж. Томсона, над которой он работал почти 15 лет, не устояла перед опытной проверкой.

В 1908 г. Э. Марсден и X. Гейгер, сотрудники Э. Резерфорда, провели опыты по прохождению альфа-частиц через тонкие пластинки из золота и других металлов и обнаружили, что почти все они проходят через пластинку, будто нет препятствия, и только 1/10000 из них испытывает сильное отклонение. По мо­дели Дж. Томсона это объяснить не удавалось, но Э. Резерфорд нашел выход. Он обратил внимание на то, что большая часть частиц отклоняется на малый угол, а малая - до 150°. Э. Резер­форд пришел к выводу, что они ударяются о какое-то препятст­вие, это препятствие представляет собой ядро атома - положи­тельно заряженную микрочастицу, размер которой (10-12 см) очень мал по сравнению с размерами атома (10-8 см), но в ней почти полностью сосредоточена масса атома.

Модель атома, предложенная Э. Резерфордом в 1911 г., на­поминала солнечную систему: в центре находится атомное яд­ро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны.

Ядро имеет положительный заряд, а электроны - отрица­тельный. Вместо сил тяготения, действующих 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.

В 1913 г. великий датский физик Н. Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характе­ристике атомных спектров.

Модель атома Н. Бора 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. Становит­ся понятным, почему атомы химических элементов не испус­кают излучения, если их состояние не изменяется: объясняются и линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответ­ствует переход электрона из одного состояния в другое.

Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание ато­ма водорода, состоящего из одного протона и одного электро­на, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее же распространение теории на много­электронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимы­ми 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. 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 частицы пренебрежимо мала по сравне­нию с размерами системы. Другими словами, 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.

Описание распределения плотности электронного заряда было дано в квантовой механике: плотность электронного за­ряда в определенных точках дает максимум. Кривая, связы­вающая точки максимальной плотности, 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. 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.

Создавалось впечатление, что постулаты Н. Бора отражают какие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь час­тично. Ответы на эти вопросы были получены в результате раз­вития квантовой механики. 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.

3. 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.

Все существующие галактики входят в систему самого высо­кого порядка - Метагалактику. Размеры Метагалактики очень ве­лики: радиус космологического горизонта составляет 15- 20 млрд. световых лет.

Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» - очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» - тот же мир, но с точки зрения его структуры - как упорядоченную систему га­лактик.

Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Космология как раздел естествознания, находится на своеоб­разном стыке науки, религии и философии. В основе космо­логических моделей Вселенной лежат определенные мировоз­зренческие предпосылки, а сами эти модели имеют большое мировоззренческое значение.

3.1. 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.

В ньютоновской космологии возникали два парадокса, свя­занные с постулатом бесконечности Вселенной.

Первый парадокс получил название гравитационного. Суть его заключается в том, что если Вселенная бесконечна и в ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяго­тения будет бесконечно большая, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существовать вечно.

Второй парадокс называется фотометрическим: если сущест­вует бесконечное количество небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, что не наблюдается.

Эти парадоксы, не разрешимые в рамках ньютоновской космологии, разрешает современная космология, в границах которой было введено представление о расширяющейся и эво­люционирующей Вселенной.

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 А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моделью Вселен­ной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изо­тропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсаль­ным космологическим отталкиванием. Модель А. Эйнштейна носит стационарный характер, поскольку метрика пространства рассматривается как независимая от времени. Время существования Вселенной бесконечно, т.ё. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.

Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной, поскольку она согласовалась со всеми известными фактами.

Но новые идеи, выдвинутые А. Эйнштейном, стимулировали дальнейшие исследования, и вскоре подход к проблеме решительно изменился.

В том же 1917 году голландский астроном Виллем 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 появились массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космического 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 1992г. русский математик и геофизик А.А Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнения Эйнштейна, описывающее Вселенную с “расширяющимся” пространством.

Решение уравнения 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 также 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.

Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной мы живем.

В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр связал “расширение” пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятие начала Вселенной как сингулярности (т.е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва.

В 1929 году 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.

Расширение Вселенной считается научно установленным фактом..

3.2. Проблема происхождения и эволюции Вселенной.

К ак бы не решался вопрос о многообразии космологических моделей, очевидно, что наша Вселенная расширяется, эволюционирует. Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10-12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 1096 г/см3. В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва. Начиная с конца 40-х годов нашего века все большее внимание в космологии привлекает физика процессов на разных этапах космологического расширения. Ученик А.А Фридмана Г. А. Гамов разработал модель горячей Вселенной, рассматривая ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной, и назвал ее “Космологией Большого взрыва”.

Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13-20 млрд. лет. Г.А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюцию Вселенной делят на “эры”

Эра адронов (тяжелых частиц, вступающих в сильные взаи­модействия). Продолжительность эры 0,0001 с, температура 1012 градусов по Кельвину, плотность 1014см3. В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается не­которое количество протонов, гиперонов, мезонов.

Эра лептонов (легких частиц, вступающих в электромагнит­ное взаимодействие). Продолжительность эры 10 с, температу­ра 1010 градусов по Кельвину, плотность 104см3. Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами.

Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная до­ля массы - энергии Вселенной - приходится на фотоны. К концу эры температура падает с 1010 3000 градусов по Кель­вину, плотность - с 104 г/см3 до 1021 г/см3. Главную роль игра­ет излучение, которое в конце эры отделяется от вещества.

Звездная эра наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.

Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.

В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва весьма популярна инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается творение Вселенной. Идея творения имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой кос­мологией. В этой модели описывается эволюция Вселенной на­чиная с момента 10-45 с после начала расширения.

Сторонники инфляционной модели видят соответствие ме­жду этапами космической эволюции и этапами творения мира, описанными в книге Бытия в Библии .

В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов.

Начало Вселенной определяется физиками-теоретиками как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10-50 см (для сравнения: размер атома определяется как 10-8 см, а размер атомного ядра 10-13 см). Основные события в ранней Вселенной разыгрывались за ничтожно малый промежуток времени от 10-45 с до 10-30 с.

Стадия инфляции. В результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние возбужденного вакуума и в отсутствие в ней вещества и излучения интенсивно расширялась по экспо­ненциальному закону. В этот период создавалось само про­странство и время Вселенной. За период инфляционной стадии продолжительностью 10-34. Вселенная раздулась от невообра­зимо малых квантовых размеров 10-33 до невообразимо больших 101000000см, что на много порядков превосходит раз­мер наблюдаемой Вселенной - 1028 см. Весь этот первоначаль­ный период во Вселенной не было ни вещества, ни излучения.

Переход от инфляционной стадии к фотонной. Состояние ложного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые, проаннигилировав, дали мощную вспышку излучения (света), осве­тившего космос.

Этап отделения вещества от излучения: оставшееся после ан­нигиляции вещество стало прозрачным для излучения, контакт между веществом и излучением пропал. Отделившееся от веще­ства излучение и составляет современный реликтовый фон, теоретически предсказанный Г. А. Гамовым и эксперименталь­но обнаруженный в 1965 г.

В дальнейшем развитие Вселенной шло в направлении от максимально простого однородного состояния к созданию все бо­лее сложных структур - атомов (первоначально атомов водоро­да), галактик, звезд, планет, синтезу тяжелых элементов в не­драх звезд, в том числе и необходимых для создания жизни, возникновению жизни и как венца творения - человека.

Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляци­онной модели и модели Большого взрыва касается только пер­воначального этапа порядка 10-30 с, далее между этими моделя­ми принципиальных расхождений в понимании этапов косми­ческой эволюции нет. Различия в объяснении механизмов кос­мической эволюции связаны с расхождением мировоззренче­ских установок. Уже с самого начала появления идеи расши­ряющейся и эволюционирующей Вселенной вокруг нее нача­лась борьба.

Первой стала проблема начала и конца времени существо­вания Вселенной, признание которой противоречило материа­листическим утверждениям о вечности, несотворимости и неуничтожимости и т.п. времени и пространства.

Каковы же естественно-научные обоснования начала и конца времени существования Вселенной?

Таким обоснованием является доказанная в 1965 г. амери­канскими физиками-теоретиками Пенроузом и С. Хокингом теорема, согласно которой в любой модели Вселенной с рас­ширением обязательно должна быть сингулярность - обрыв линий времени в прошлом, что можно понимать как начало времени. Это же верно и для ситуации, когда расширение сме­нится на сжатие -- тогда возникнет обрыв линий времени в бу­дущем - конец времени. Причем точка начала сжатия интер­претируется физиком Ф. Типлером как конец времени - Вели­кий Сток, куда стекаются не только галактики, но и сами «события» всего прошлого Вселенной.

Вторая проблема связана с творением мира из ничего. Ма­териалисты отвергали возможность творения, поскольку вакуум - это не ничего, а вид материи. Да, это так, вакуум представля­ет собой особый вид материи. Но дело в том, что у А. А. Фрид­мана математически момент начала расширения пространства выводится не со сверхмалым, а с нулевым объемом. В своей популярной книге «Мир как пространство и время», изданной в 1923 г., он говорит о возможности «сотворения мира из ни­чего». Попытку разрешить одну из основных проблем мирозда­ния - возникновения всего из ничего - предприняли в 80-х гг. американский физик А. Гут и советский физик А. Линде. Энергию Вселенной, которая сохраняется, разделили на грави­тационную и негравитационную части, имеющие разные знаки. И тогда полная энергия Вселенной будет равна нулю. Физики считают, что если предсказываемое несохранение барионного числа подтвердится, то тогда ни один из законов сохранения не будет препятствовать рождению Вселенной из ничего. Пока же эту модель с помощью знаний и фантазии можно рассчитывать на компьютере, а вопрос остается открытым.

Самая большая трудность для ученых возникает при объяс­нении причин космической эволюции. Если отбросить частно­сти, то можно выделить две основные концепции, объясняющие эволюцию Вселенной: концепцию самоорганизации и концепцию креационизма.

Для концепции самоорганизации материальная Вселенная яв­ляется единственной реальностью, и никакой другой реально­сти помимо нее не существует. Эволюция Вселенной описыва­ется в терминах самоорганизации: идет самопроизвольное упо­рядочивание систем в направлении становления все более сложных структур. Динамичный хаос порождает порядок. Во­прос о цели космической эволюции в рамках концепции само­организации ставиться не может.

В рамках концепции креационизма, т.е. творения, эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, определяемой реальностью более высокого порядка, чем материальный мир. Сторонники креационизма обращают внимание на существова­ние во Вселенной направленного номогенца - развития от простых систем ко все более сложным и информационно ем­ким, в ходе которого создавались условия для возникновения жизни и человека. В качестве дополнительного аргумента при­влекается антропный принцип, сформулированный английскими астрофизиками Б. Карром и Риссом.

Суть антропного принципа заключается в том, что сущест­вование той Вселенной, в которой мы живем, зависит от чис­ленных значений фундаментальных физических констант - постоянной Планка, постоянной гравитации, констант взаимо­действия и т.д.

Численные значения этих постоянных определяют основ­ные особенности Вселенной, размеры атомов, атомных ядер, планет, звезд, плотность вещества и время жизни Вселенной. Если бы эти значения отличались от существующих хотя бы на ничтожно малую величину, то не только бы жизнь была невоз­можной, но и сама Вселенная как сложная упорядоченная структура была бы невозможна. Отсюда делается вывод, что физическая структура Вселенной запрограммирована и направ­лена к появлению жизни. Конечная цель космической эволю­ции - появление человека во Вселенной в соответствии с за­мыслами Творца .

Среди современных физиков – теоретиков имеются сторонники, как концепции самоорганизации, так и концепции креационизма. Последние признают, что развитие фундаментальной теоретической физики делает насущной необходимостью разработку единой научно – технической картины мира, синтезирующей все достижения в области знания и веры.

3.3. Структура Вселенной.

Вселенной на самых разных уровнях, от условно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты.

Метагалактика – представляет собой совокупность звездных систем – галактик, а ее структура определяется их распределение в пространстве, заполненном чрезвычайно разреженным межгалактическим газом и пронизываемом межгалактическими лучами.

Согласно современным представлениям, для метагалактики характерно ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Эти представления основываются на дынных астрономических наблюдений, показавших, что галактики распределены не равномерно, а сосредочены вблизи границ ячеек внутри которых галактик почти нет. Кроме того, найдены огромные объемы пространства (порядка миллиона кубических мегапарсек), в которых галактик пока не обнаружено. Пространственной моделью такой структуры может служить кусок пемзы, которая неоднородна в небольших выделенных объемах, но однородна в больших объемах.

Если брать не отдельные участки Метагалактики, а ее крупно масштабную структуру в целом, то, очевидно, что в этой структуре не существует каких то особых, чем- то выделяющихся мест или направлений и вещество распределено сравнительно равномерно.

Возраст Метагалактики близок к возрасту Вселенной, поскольку образование структуры приходиться на период, следующий заразьединением вещества и излучение. По современным данным, возраст Метагалактики оценивается в 15 млрд. лет. Ученые считают, что, по-видимому, близок к этому и возраст галактик, которые сформировались на одной из начальных стадий расширения Метагалактики.

Галактика – гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.

По форме галактики условно распределяются на три типа: эллиптические, спиральные, неправильные.

Эллиптические галактики – обладают пространственной формой эллипсоида с разной степенью сжатия они являются наиболее простыми по структуре: распределение звезд равномерно убывает от центра.

Спиральные галактики – представлены в форме спирали, включая спиральные ветви. Это самый многочисленный вид галактик, к которому относится и наша Галактика – млечный путь.

Неправильные галактики – не обладаю выраженной формой в них отсутствует центральное ядро.

Некоторые галактики характеризуются исключительно мощным радиоизлучением, превосходящим видимое излучение. Это радиогалактики.

В строении “правильных” галактик очень упрошено можно выделить центральное ядро и сферическую периферию, представленную либо в форме огромных спиральных ветвей, либо в форме эллиптического диска, включающих наиболее горячие и яркие звезды.

Ядра галактик проявляют свою активность в разных формах: в непрерывном истечении потоков вещества; выбросах сгустков газа и облаков газа с массой в миллионы солнечных масс; в нетепловом радиоизлучении из около ядерной области.

В ядре галактики сосредоточенны самые старые звезды, возраст которых приближается к возрасту галактики. Звезды среднего и молодого возраста расположены в диске галактики.

Звезды и туманности в пределах галактики движутся довольно сложным образом вместе с галактикой они принимают участие в расширении Вселенной, кроме того, они участвуют во вращении галактики вокруг оси.

Звезды. 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 других галактик, если не у большинства, «звездная субстанция» составляет более чем 99,9% их массы.

Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне значений: от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселен­ной, до сотен тысяч - самых молодых. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими звездами.

Огромное значение имеет исследование взаимосвязи между звездами и межзвездной средой, включая проблему непрерыв­ного образования звезд из конденсирующейся диффузной (рас­сеянной) материи.

Рождение звезд происходит в газово-пылевых туманностях под действием гравитационных, магнитных и других сил, бла­годаря которым идет формирование неустойчивых однородностей и 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.

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.

Огромная энергия, излучаемая звездами, образуется в ре­зультате ядерных процессов, происходящих внутри звезд. Те же силы, которые высвобождаются при взрыве водородной бомбы, образуют внутри звезды энергию, позволяющую ей излучать свет и тепло в течение миллионов и миллиардов лет за счет превращения водорода в более тяжелые элементы, и прежде всего в гелий. В итоге на завершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные («мертвые») звезды.

Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы - так называемые кратные сис­темы состоят 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 в 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 отдельных звезд, шаровые скопления - многие сотни тысяч.

Ассоциации, или скопления звезд, также не являются неиз­менными и вечно существующими. Через определенное коли­чество времени, исчисляемое миллионами лет, они рассеивают­ся силами галактического вращения.

Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спут­ников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как

роями, так и в виде отдельных частиц. К 1979 г. было известно 34 спутника и 2000 астероидов. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела - Солнца. Солнечная система является упорядоченной системой, имеющей свои закономерности строения. Единый характер Солнечной системы проявляется в том, что все планеты вра­щаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Большинство спутников планет (их лун) вращается в том же направлении и в большинстве слу­чаев в экваториальной плоскости своей планеты. Солнце, пла­неты, спутники планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям. Закономерно и строение Солнечной системы: ка­ждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая. Принимая во внимание законо­мерности строения Солнечной системы, кажется невозможным ее случайное образование.

О механизме образования планет в Солнечной системе так­же нет общепризнанных заключений. Солнечная система, по оценкам, образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце - звезда второго (или еще более позднего) поколения. Таким образом, Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущих поколений, скапливав­шихся в газово-пылевых облаках. Это обстоятельство дает ос­нование назвать Солнечную систему малой частью звездной пыли. О происхождении Солнечной системы и ее исторической эволюции наука знает меньше, чем необходимо для построения теории планетообразования. От первых научных гипотез, вы­двинутых примерно 250 лет назад, до наших дней было пред­ложено большое число различных моделей происхождения и развития Солнечной системы, но ни одна из них не удостои­лась перевода в ранг общепризнанной теории. Большинство из выдвигавшихся ранее гипотез сегодня представляет лишь исто­рический интерес.

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.

Согласно этой гипотезе система планет вокруг Солнца об­разовалась в результате действия сил притяжения и отталкива­ния между частицами рассеянной материи (туманности), нахо­дящейся во вращательном движении вокруг Солнца.

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. В соответствии с современными представлениями, 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, и в результате 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.

Заключение.

В современной науке в основе представлений о строении мате­риального мира лежит системный подход, согласно которому лю­бой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное образова­ние, включающее составные части, организованные в целостность. Для обозначения целостности объектов в науке было выработано понятие системы.

Система представляет собой совокупность элементов и связей между ними.

Понятие “элементы” означает минимальный, далее уже неде­лимый компонент в рамках системы. Элемент является таковым лишь по отношению к данной системе, в других же отношениях он сам может представлять сложную систему.

Совокупность связей между элементами образует структуру системы.

Устойчивые связи элементов определяют упорядоченность системы. Существуют два типа связей между элементами сис­темы - по “горизонтали” и по “вертикали”

Связи по «горизонтали» - это связи координации между одно-порядковыми 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 уровни организации системы, а также их иерархию.

Исходным пунктом всякого системного исследования является представление о целостности, изучаемой системы.

Целостность системы означает, что все ее составные части, соединяясь вместе, образуют уникальное целое, обладающее новы­ми интегративными свойствами.

Свойства системы - не просто сумма свойств ее элементов, а нечто новое, присущее только системе в целом. Например, моле­кула воды Н2O. Сам по себе водород, два атома которого образу­ют данную систему, горит, а кислород (в нее входит один атом) поддерживает горение. Система же, образовавшаяся из этих эле­ментов, вызвала к жизни совсем иное, а именно - интегративное свойство: вода гасит огонь. Наличие свойств, присущих системе в целом, но не ее частям, определяется взаимодействием элементов.

Итак, согласно современным научным взглядам на природу, все природные объекты представляют собой упорядоченные, струк­турированные, иерархически организованные системы.

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 виды, популяции и биоценозы, и, наконец, биосферу как всю массу живого вещества.

В природе все взаимосвязано, поэтому можно выделить такие системы, которые включают элементы как живой, так и нежи­вой природы - биогеоценозы.

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 10-8 до 10-16 см, а время жизни - от бесконечно­сти до 10-24 с.

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.

В настоящее время в области фундаментальной теоретиче­ской физики разрабатываются концепции, согласно которым объ­ективно существующий мир не исчерпывается материальным ми­ром, воспринимаемым нашими органами чувств или физическими приборами. Авторы данных концепций пришли к следующему выво­ду: наряду с материальным миром существует реальность высшего порядка, обладающая принципиально иной природой по сравнению с реальностью материального мира . С их точки зрения мир высшей реальности определяет структуру и эволюцию материального ми­ра. Утверждается, что объектами мира высшей реальности вы­ступают не материальные системы, как в микро-, макро - и мегамирах, а некие идеальные физические и математические струк­туры, которые проявляются в материальном мире в виде естественнонаучных законов. Эти структуры выступают как носители идеи необходимости общезначимости и регулярности выражаю­щих сущность объективных физических законов.

Но одних законов, порожденных такого рода физическими и математическими структурами, явно недостаточно для сущест­вования материального мира. Необходимо множество программ определяющих «поведение» и эволюцию материальных объектов. Подобно тому, как знание уравнений не обеспечивает решения за­дачи, для чего нужно еще и знание начальных условий, так и в об­щем случае, наряду с фундаментальными законами, должны суще­ствовать дополнительные к ним сущности - программы.

Литература

1. Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. - М.: Наука, 1981.

2. Владимиров Ю. С. Фундаментальная физика, философия и религия. - Кострома: Изд-во МИИЦАОСТ, 1996.

3. Гернек Ф. Пионеры атомного века. - М.: Прогресс, 1974.

4. Дорфман Я. Г. Всемирная история физики с начала 19 века до середины 20 века. - М.: Наука, 1979.

5. Идлис Г. М. Революция в астрономии, физике и космо­логии. -- М.: Наука, 1985.

6. Каира Ф. Дао физики; - СПб., 1994.

7. Кириллин В. А. Страницы истории науки и техники. - М.: Наука, 1986.

8. Кудрявцев П. С. Курс истории физики. - М.: Просвеще­ние, 1974.

9. Льоцци М. История физики. - М.: Мир, 1972. Ю.Мэрион Дж. Б. Физика и физический мир. - М.: Мир, 1975.

11. Налимов В. В. На грани третьего тысячелетия. - М.:

Наука, 1994.

12. Шкловский И, С. Звезды, их рождение, жизнь и смерть. - М.: Наука, 1977.

См.: Кузнецов Б.Т. От Галилея до Эйнштейна - М.: Наука, 1966. - С.38.

См.: Кудрявцев П.С. Курс истории физики. - М.: Просвещение, 1974. - С. 179.

См.: Мостепаненко А.М. Методологические и философские проблемы совре­менной физики. - Л.: ЛГУ, 1977. - С. 101.

См.: Дубнищева Т.Я. Указ. Соч. – С. 802 – 803.

См.: Гриб А.А. Большой взрыв: творение или происхождение? /В кн. Взаимо­связь физической и релиптозной картин мира. - Кострома: Изд-во МИИЦАОСТ, 1996. - С. 153-166.

См.: Идлис Г.М. От антропного принципа к разумному первоначалу / В кн.:

Глобальный эволюционизм. - М.: Институт философии РАН, 1994. - С. 124-

Владимиров Ю. С. Фундаментальная физика и религия. - М.: Архимед, 1993;

Владимиров Ю. С., Карнаухов А. В., Кулаков Ю.И. Введение в теорию физических структур и бинарную геометрофизику. - М.: Архимед, 1993.

Материя – это бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения. В основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное образование, включающее в себя составные части, организованные в целостность.

Современная наука выделяет в мире три структурных уровня.

Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10 -8 до 10 -16 см, а время жизни - от бесконечности до 10 -24 с.

Макромир - мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин, а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов; мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, годах.

Мегамир - это планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики – 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.

На микроскопическом уровне физика сегодня занимается изучением процессов, разыгрывающихся на длинах порядка 10 в минус восемнадцатой степени см. , за время - порядка 10 в минус двадцать второй степени с. В мегамире ученые с помощью приборов фиксируют объекты, удаленные от нас на расстоянии около 9-12 млрд. световых лет.

Микромир

Демокритом в античности была выдвинута Атомистическая гипотеза строения материи. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свойства атома. В XIX в. Д. И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.

В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии. Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в. , когда французским физиком А. А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном превращении атомов одних элементов в атомы других элементов. В 1895 г. Дж. Томсон открыл электрон - отрицательно заряженную частицу, входящую 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. Существовало несколько моделей строения атома.

Выявлены специфические качества микрообъектов, выражающиеся в наличии у них как корпускулярных (частицы), так и световых (волны) свойств. Элементарные частицы – простейшие объекты микромира, взаимодействующие как единое целое. Известно более 300 разновидностей. В первой половине ХХ в. были открыты фотон, протон, нейтрон, позднее – нейтрино, мезоны и другие. Основные характеристики элементарных частиц: масса, заряд, среднее время жизни, квантовые числа. Все элементарные частицы, абсолютно нейтральны, имеют свои античастицы - элементарные частицы, обладающие теми же характеристиками, но отличающиеся знаками электрического заряда. При столкновении частиц происходит их уничтожение (аннипиляция).

Стремительно возрастает количество открытых элементарных частиц. Их объединяют в «семейства» (мультиплеты), «роды» (супермультиплеты), «племена» (адроны, лептоны, фотоны и т. п.). Некоторые частицы группируются по принципу симметрии. Например, триплет из трёх частиц (кварков) и триплет из трёх античастиц (антикварков). К концу ХХ века физика приблизилась к созданию стройной теоретической системы, объясняющей свойства элементарных частиц. Предложены принципы, позволяющие дать теоретический анализ многообразия частиц, их взаимопревращений, построить единую теорию всех видов взаимодействий.

Макромир

В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный. Донаучный, или натурфилософский, охватывает период от античности до становления экспериментального естествознания в XVI-XVII вв. 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.

Со становления классической механики начинается научный этап изучения природы. 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. 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. Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий.

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.

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 X. 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. М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Его работы стали исходным пунктом исследований Дж. К. Максвелла, заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. 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».

После экспериментов Г. Герца в физике окончательно утвердилось понятие поля не в качестве вспомогательной математической конструкции, а как объективно существующей физической реальности. В результате же последующих революционных открытий в физике в конце прошлого и начале нынешнего столетий оказались разрушенными представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи.

Мегамир

Мегамир или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел.

Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка - Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15- 20 млрд. световых лет. Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» - очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» - тот же мир, но с точки зрения его структуры - как упорядоченную систему галактик.

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. Время существования Вселенной бесконечно, т. ё. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

В 1929 году 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. Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10 -12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 10 96 г/см 3 . В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва.

Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13-20 млрд. лет. Г. А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюцию Вселенной делят на “эры”:

Эра адронов. Тяжелые частицы, вступающие в сильные взаимодействия;

Эра лептонов. Легкие частицы, вступающие в электромагнитное взаимодействие;

Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная доля массы - энергии Вселенной - приходится на фотоны;

Звездная эра. Наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.

Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.

В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва весьма популярна инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается творение Вселенной. Идея творения имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой космологией. В этой модели описывается эволюция Вселенной, начиная с момента 10 -45 с после начала расширения. В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов.

Начало Вселенной определяется физиками-теоретиками как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10 -50 см

Стадия инфляции. В результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние возбужденного вакуума и в отсутствие в ней вещества и излучения интенсивно расширялась по экспоненциальному закону. В этот период создавалось само пространство и время Вселенной. За период инфляционной стадии продолжительностью 10 -34 . Вселенная раздулась от невообразимо малых квантовых размеров 10 -33 до невообразимо больших 10 1000000 см, что на много порядков превосходит размер наблюдаемой Вселенной - 10 28 см. Весь этот первоначальный период во Вселенной не было ни вещества, ни излучения.

Переход от инфляционной стадии к фотонной. Состояние ложного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые, проаннигилировав, дали мощную вспышку излучения (света), осветившего космос.

Этап отделения вещества от излучения: оставшееся после аннигиляции вещество стало прозрачным для излучения, контакт между веществом и излучением пропал. Отделившееся от вещества излучение и составляет современный реликтовый фон, теоретически предсказанный Г. А. Гамовым и экспериментально обнаруженный в 1965 г.

В дальнейшем развитие Вселенной шло в направлении от максимально простого однородного состояния к созданию все более сложных структур - атомов (первоначально атомов водорода), галактик, звезд, планет, синтезу тяжелых элементов в недрах звезд, в том числе и необходимых для создания жизни, возникновению жизни и как венца творения - человека.

Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляционной модели и модели Большого взрыва касается только первоначального этапа порядка 10 -30 с, далее между этими моделями принципиальных расхождений в понимании этапов космической эволюции нет.

Вселенной на самых разных уровнях, от условно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты.

Метагалактика – представляет собой совокупность звездных систем – галактик, а ее структура определяется их распределение в пространстве, заполненном чрезвычайно разреженным межгалактическим газом и пронизываемом межгалактическими лучами. Согласно современным представлениям, для метагалактики характерно ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Возраст Метагалактики близок к возрасту Вселенной, поскольку образование структуры приходиться на период, следующий за разъединением вещества и излучение. По современным данным, возраст Метагалактики оценивается в 15 млрд. лет.

Галактика – гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.

По форме галактики условно распределяются на три типа: эллиптические, спиральные, неправильные.

Звезды. 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 других галактик, если не у большинства, «звездная субстанция» составляет более чем 99, 9% их массы. Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне значений: от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч - самых молодых. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии, т. е. они еще не стали настоящими звездами. На завершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные («мертвые») звезды. Звезды не существуют изолированно, а образуют системы.

Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела - Солнца. Солнечная система является упорядоченной системой, имеющей свои закономерности строения. Единый характер Солнечной системы проявляется в том, что все планеты вращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Солнце, планеты, спутники планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям. Закономерно и строение Солнечной системы: каждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая.

Первые теории происхождения Солнечной системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским математиком П. С. Лапласом. Согласно этой гипотезе система планет вокруг Солнца образовалась в результате действия сил притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи (туманности), находящейся во вращательном движении вокруг Солнца.

Издавна люди пытались найти объяснение многообразию и причудливости мира. Изучение материи и её структурных уровней является необходимым условием формирования мировоззрения, независимо от того, окажется ли оно, в конечном счете, материалистическим или идеалистическим.

Достаточно очевидно, что очень важна роль определения понятия материи, понимания последней как неисчерпаемой для построения научной картины мира, решения проблемы реальности и познаваемости объектов и явлений микро, макро и мега миров.