Взаимосвязь микро макро и мега уровней материи. Микро, макро, мега миры

2. Микро, Макро, Мега миры.

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, позже, в XVIII в. была возрождена 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.

История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию 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.

Существовало несколько моделей строения атома.

В 1902 г. английский физик У. Томсон (лорд Кельвин) предложил первую модель атома - положительный заряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг».

В 1911 г. Э. Резерфорд предложил модель атома, которая 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.

Обе эти модели оказались противоречивы.

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.

В конечном итоге точно описать структуру атома на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует.

Теория Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру атома на основе классической физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений.

Создавалось впечатление, что постулаты Н. Бора отражают какие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь частично. 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.

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.

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 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».

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.

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.

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. Исходя из волновой теории X. Гюйгенс успешно объяснил отражение и преломление 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.

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».

Исходя из своих исследований, 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

В 1922г. русский математик и геофизик А.А Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнения Эйнштейна, описывающее Вселенную с “расширяющимся” пространством.

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.

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.

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

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.

Пока же эти модели 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.

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.

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.

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.

Согласно современным представлениям, для метагалактики характерно ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Существуют огромные объемы пространства (порядка миллиона кубических мегапарсек), в которых галактик пока не обнаружено.

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.

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 обладают выраженной формой, в них отсутствует центральное ядро.

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

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.

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. Основная эволюция вещества во Вселенной происходила и происходит в недрах звезд. Именно там находится тот «плавильный тигель», который обусловил химическую эволюцию вещества во Вселенной.

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.

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.

Солнечная система 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.

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.

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.

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. 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.

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.

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 счёте 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 литературы:

1. Большая Советская энциклопедия

2. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М.: 1997

3. Философия

http://websites.pfu.edu.ru/IDO/ffec/philos-index.html

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

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

6. Учебное пособие «Концепции современного естествознания»

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.: 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.

1. Введение.

1. Что такое материя. История возникновения взгляда на материю.

Материя (лат. Materia – вещество), «…философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от нас».

Материя – это бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения. Материя включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые в принципе могут быть познаны в будущем на основе совершенствования средств наблюдения и эксперимента. С точки зрения марксистско-ленинского понимания материи, она органически связана с диалектико-материалистическим решением основного вопроса философии; оно исходит из принципа материального единства мира, первичности материи по отношению к человеческому сознанию и принципа познаваемости мира на основе последовательного изучения конкретных свойств, связей и форм движения материи.

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. Для обозначения целостности объектов в науке было выработано понятие системы.

Материя как объективная реальность включает в себя не только вещество в четырех его агрегатных состояниях (твердом, жидком, газообразном, плазменном), но и физические поля (электромагнитное, гравитационное, ядерное и т. д.), а также их свойства, отношения, продукты взаимодействия. Входит в нее и антивещество (совокупность античастиц: позитрон, или антиэлектрон, антипротон, антинейтрон), недавно открытое наукой. Антивещество ни в коем случае не антиматерия. Антиматерии вообще быть не может. Дальше «не» (не-материи) отрицание здесь не идет.

Движение и материя органически и нерасторжимо связаны друг с другом: нет движения без материи, как нет и материи без движения. Иначе говоря, нет в мире неизменных вещей, свойств и отношений. «Все течет», все изменяется. Одни формы или виды сменяются другими, переходят в другие – движение постоянно. Покой – диалектически исчезающий момент в беспрерывном процессе изменения, становления. Абсолютный покой равнозначен смерти, а вернее – несуществованию. Можно понять в данной связи А. Бергсона, рассматривавшего всю реальность как неделимую движущуюся непрерывность. Или А.Н.Уайтхеда, для которого «реальность есть процесс». И движение, и покой с определенностью фиксируются лишь по отношению к какой-то системе отсчета. Так, стол, за которым пишутся эти строки, покоен относительно данной комнаты, она, в свою очередь, - относительно данного дома, а сам дом – относительно Земли. Но вместе с Землей стол, комната и дом движутся вокруг земной оси и вокруг Солнца.

Движущаяся материя существует в двух основных формах – в пространстве и во времени. Понятие пространства служит для выражения свойства протяженности и порядка сосуществования материальных систем и их состояний. Оно объективно, универсально (всеобщая форма) и необходимо. В понятии времени фиксируется длительность и последовательность смены состояний материальных систем. Время объективно, неотвратимо и необратимо. Следует различать философские и естественнонаучные представления о пространстве и времени. Собственно философский подход представлен здесь четырьмя концепциями пространства и времени: субстанциальной и реляционной, статической и динамической.

Основоположником взгляда на материю, как состоящую из дискретных частиц был Демокрит.

Демокрит отрицал бесконечную делимость материи. Атомы различаются между собой только формой, порядком взаимного следования, и положением в пустом пространстве, а также величиной и зависящей от величины тяжестью. Они имеют бесконечно разнообразные формы с впадинами или выпуклостями. Демокрит называет атомы также «фигурами» или «видиками», из чего следует, что атомы Демокрита являются максимально малыми, далее неделимыми фигурами или статуэтками. В современной науке много спорили о том, являются ли атомы Демокрита физическими или геометрическими телами, однако сам Демокрит еще не дошел до различения физики и геометрии. Из этих атомов, движущихся в различных направлениях, из их «вихря» по естественной необходимости путем сближения взаимноподобных атомов образуются как отдельные целые тела, так и весь мир; движение атомов вечно, а число возникающих миров бесконечно.

Мир доступной человеку объективной реальности постоянно расширяется. Концептуальные формы выражения идеи структурных уровней материи многообразны.

Современная наука выделяет в мире три структурных уровня.

2. Микро, Макро, Мега миры.

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.

Микромир. Демокритом в античностибыла выдвинутаАтомистическая гипотеза строения материи, позже, в XVIII в. была возрождена 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.

Существовало несколько моделей строения атома.

Обе эти модели оказались противоречивы.

Краткое описание

Весь окружающий нас мир представляет собой движущуюся материю в её бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми её свойствами, связями и отношениями. Рассмотрим подробнее, что же такое материя, а так же ее структурные уровни. 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.

Вложенные файлы: 1 файл

Кафедра экономики и естественнонаучных дисциплин

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине

Основы современного естествознания

Тема “Проблема взаимосвязи микро- и мега- миров”

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.

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро - и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны и существовать по отдельности не могут.

На микроскопическом уровне физика сегодня занимается изучением процессов, разыгрывающихся на длинах порядка 10 -18 см., за время - порядка 10 -22 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.

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.

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.

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;

Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.

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.

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.

Заключение.

Список использованной литературы

1. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М.: 1997

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

3. Учебное пособие «Концепции современного естествознания»

Тема 3. Структурные уровни организации материи микро, макро и мега миры.

Лекция 3.

1.Структурные уровни организации материи; микро-, макро- и мегамиры.

1. Структурные уровни организации материи микро, макро и мегамиры.

Все многообразие известных человечеству объектов и свойственных им явлений обычно разделяется на три качественно различные области.- микро-, макро- и мегамиры. Предложено (К.Х. Рахматуллиным) выделить еще два уровня - гипомир (микромир в микромире) и гипермир (сверхмегамир). Однако последние два уровня следует считать пока гипотетичными, лишь предсказываемыми теорией, но еще не ставшими экспериментально наблюдаемыми, достоверно установленными.

Еще в начале XX в. немецкий физик М. Планк определил фундаментальные константы - длины (10 -33 см) и времени (10 -44 с), получившие название «планковская длина» и «планковское время». Это более чем в миллиард миллиардов раз меньше размеров атомных ядер (10 -13 см), которые сами на пять порядков (в 10 5 , т.е. в сто тысяч раз) мельче атомов, характеризующихся величинами в 10 -8 см. Считается, что в области планковских масштабов неприменима общая теория относительности и для описания физических процессов здесь необходимо создание квантовой теории гравитации. Это свидетельствует не только о количественном, но и о качественном отличии предполагаемого гипомира от надежно установленного микромира - мира атомов и большого семейства (примерно четырехсот) так называемых элементарных частиц - электронов, протонов, нейтронов и др. В области реально, экспериментально изучаемого мира физики фиксируют размеры порядка 10 -16 см (в тысячу раз меньше размеров атомных ядер).

Специфика микромира наиболее ярко отражена в разделах физики, основанных на квантовой механике, в том числе релятивистской, учитывающей одновременно и квантованность, и относительность (релятивность) процессов в микромире, их структурных, пространственно-временных и энергетических характеристик.

Наряду с углублением познания в области микромира (познанием мира «вглубь») для науки XX в. очень характерно стремительное движение познания по линии увеличения размеров изучаемых объектов, т.е. познание мира «вширь». По этой линии наука дополняет познание привычного людям земного макромира, характеризуемого умеренными скоростями и энергиями взаимодействия, познанием мегамира - гигантских по сравнению с земными масштабами звездных скоплений и сверхскоплений. Это мир галактик.

Самым большим объектом, установленным наукой, является Метагалактика, включающая все известные скопления галактик. Размеры ее - порядка 10 28 см. Такое расстояние свет проходит со скоростью 300 000 км/с за 20 миллиардов лет. Некоторые ученые отождествляют Метагалактику со Вселенной в целом, но все больше ученых склоняется к тому, что миров, подобных Метагалактике, во Вселенной множество. Представления о множестве мегамиров и ведут к выделению нового уровня в строении Вселенной - гипермира.

Таким образом, сейчас выделяют 5 уровней материального мира:

Гипомир;

Микромир;

Макромир;

Мегамир;

Гипермир.

Им соответствуют расстояния от 10 -33 см до 10 28 см.

Как видим, исследуемый современной наукой мир охватывает расстояния в диапазоне более чем 60 порядков.

В этих рамках микромир выделяется прежде всего как объект квантовой механики, макромир - как объект классической механики, мегамир - как объект релятивистской механики.

К области макромира относятся те процессы, для которых постоянную Планка (ħ = 6,62 10 -27 эрг с) можно считать бесконечно малой величиной, которой допустимо пренебречь, а скорость света с = 300 000 км/с - бесконечно большой величиной, позволяющей отвлечься от временной длительности передачи сигналов, считать взаимодействия систем мгновенными, как бы безвременными.

При описании мегамира необходимо считаться с релятивистскими эффектами - зависимостью размеров объектов, длительности процессов, одновременности или разновременности событий от системы отсчета, искривлением пространства-времени, изменением его геометрии и топологии, размерности.

Макромир.

Макромир описывается механикой Ньютона-Галтлея. Механика Ньютона-Галилея представляет собой синтез различных методологических установок его предшественников.

В Ньютоновской механике рассматривается абсолютное пространство и абсолютное время. Любая вещь считается состоящей из атомов и может быть разложена на свои составляющие. Атом рассматривается как первичный «кирпичик» вещества, который неделим, неизменен, вечен. Атомистическая (корпускулярная) концепция содержит в себе представление о дискретной структуре вещества, ибо наряду с атомами принимает наличие пустоты между ними.

В механики Ньютона -_Галилея выделить три основных момента механистической концепции целого и части:

Целое рассматривается как простое соединение элементов. Возможно разложение, разделение целого на его элементы, то есть редукция сложного к простому;

Элементы целого рассматриваются как неизменяющиеся, простые, неделимые;

Элемент внутри и вне целого один и тот же. Это формирует представление об объекте познания как самостоятельной сущности, с присущими ей характеристиками и свойствами, не зависящими от условий познаний, а тем более от познающего его субъекта.

Бесспорно, под влиянием воздействия на элемент других элементов системы элемент может изменять ряд своих характеристик. Но при этом в классической физике предполагается, что это воздействие является контролируемым и может быть оценено с позиций жесткой причинно-следственной обусловленности результатов воздействия.

Понятие силы Ньютон вводит в качестве абсолютного элемента. Истинное абсолютное движение, в отличие от относительного, «не может ни произойти, ни измениться иначе, как от действия сил, приложенных непосредственно к движущемуся телу». Ньютон дает также динамическую трактовку массы тела как индивидуальной характеристики тела по отношению к нетождественному ему пустому пространству. То есть понятия «силы» и «массы» у Ньютона - это как бы «надпространственные» понятия.

В основе Механики Ньютона лежит принцип относительности Галилея. Принцип относительности Галилея выделяет определенный класс систем отсчета, которые называют инерциальными. Инерциальными являются системы отсчета, в которых выполняется принцип инерции (Первый, закон Ньютона). Общепринятая формулировка первого закона Ньютона такова: «Существуют системы отсчета, относительно которых всякое тело сохраняет состояние своего движения (состояние покоя или равномерного прямолинейного движения), пока действие всех тел и полей на него компенсировано». Если мы имеем хотя бы одну такую инерциальную систему отсчета, то всякая другая система отсчета, которая движется относительно первой равномерно и прямолинейно, также является инерциальной. Все другие системы отсчета называются неинерциальными.

В соответствии с принцип относительности Галилея: «Во всех инерциальных системах отсчета все физические явления происходят одинаково».

Тот факт, что ускорения тел относительно обеих инерциальных систем отсчета одинаковы, позволяет сделать вывод о том, что законы механики, определяющие причинно-следственные связи движения тел, одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. И это составляет суть принципа относительности Галилея.

Беря производные по времени от кинематических параметров, можно рассматривать изменения этих величин за бесконечно маленькие промежутки времени. При этом представлялось само собой разумеющимся, что эти бесконечно маленькие промежутки времени, равно как и любые промежутки времени, одинаковы в обеих системах отсчета.

Преобразования Галилея отражают наше обыденное представление об инвариантности (неизменности) пространственных и временных масштабов при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую.

В механике Ньютона -_Галилея, понятие состояния физической системы является центральным элементом, также как в во всякой физической теории. Понятие состояния физической системы - основная задача классической механики. Оно подразумевает совокупность данных, характеризующих особенность рассматриваемого объекта или системы в данный момент времени. Оказывается, что для описания поведения какого-либо объекта одних только законов природы недостаточно, важно знать также начальные условия, описывающие состояние данного объекта в начальный момент времени. По словам великого математика Ю. Вигнера, «именно в четком разделении законов природы и начальных условий и состоит удивительное открытие ньютоновского века».

Состояние физической системы - это конкретная определенность системы, однозначно детерминирующая ее эволюцию во времени. Для задания состояния системы необходимо: 1) определить совокупность физических величин, описывающих данное явление и характеризующих состояние системы, - параметры состояния системы; 2) выделить начальные условия рассматриваемой системы (зафиксировать значения параметров состояния в начальный момент времени); 3) применить законы движения, описывающие эволюцию системы.

Параметрами, характеризующими состояния механистической системы, являются совокупность всех координат и импульсов материальных точек, составляющих эту систему. Задать состояние механической системы, значит, указать все координаты и импульсы всех материальных точек. Основная задача динамики состоит в том, чтобы, зная начальное состояние системы и законы движения (законы Ньютона), однозначно определить состояние системы во все последующие моменты времени, то есть однозначно определить траектории движения частиц. Траектории движения получаются путем интегрирования дифференциальных уравнений движения и дают полное описание поведения частиц в прошлом, настоящем и будущем, то есть характеризуются свойствами детерминированности и обратимости. Здесь полностью исключается элемент случайности, все заранее жестко причинно-следственно обусловлено. Считается, что задать начальные условия можно абсолютно точно. Точное знание начального состояния системы и законов движения ее предопределяет попадание системы в заранее выбранное, «нужное» состояние.

Понятие причинности в классической физике связывается со строгим детерминизмом в лапласовском духе -фундаментальный принцип, провозглашенный Лапласом, и вошедший в науку в связи с этим принципом образ, именуемый «демоном Лапласа»: «Мы должны рассматривать существующее состояние Вселенной как следствие предыдущего состояния и как причину последующего. Ум, который в данный момент знал бы все силы, действующие в природе, и относительное положение всех составляющих ее сущностей, если бы он еще был столь обширен, чтобы ввести в расчет все эти данные, охватил бы одной и той же формулой движения крупнейших тел Вселенной и легчайших атомов. Ничто не было бы для него недостоверным, и будущее, как и прошедшее, стояло бы перед его глазами». Тем самым, трансдисциплинарной концепцией естествознания в классический период его развития становится представление о том, что только динамические законы полностью отражают причинность в природе. С философской точки зрения можно сказать, что в динамических теориях нет места взаимопревращению необходимости и случайности. Случайность понимается как некая досадная помеха в получении истинного результата, а не как необходимость, проявленная в действительности.

В механике Ньютона тела взаимодействуют на расстоянии, и взаимодействие происходит мгновенно. Именно эта мгновенность передачи взаимодействий и обуславливает ненужность какой-либо среды и утверждает принцип дальнодействия.

Механик Ньютона -_Галилея использует математику как язык физической науки.

Микромир.

Атомы. Атом представляет собой целостную ядерно-электронную систему. Ядро является основой атома, определяющей как численный состав электронов в атоме, так и всю его внутреннюю структуру. Если на этапе образования атома главную роль играют индивидуальные свойства ядра и электронов, то поведение электронов в составе атома в первую очередь обусловлено характеристикой их квантовых состояний, распределением электронов по энергетическим уровням, подуровням и отдельным «ячейкам» или «орбитам», в каждой из которых может находиться не более двух электронов.

Молекулы. Молекулы - это очередной после атомов качественный уро вень строения и эволюции вещества. Подчеркивая целостность молекул, органическое единство их составных частей, современное естествознание характеризует движение молекул как движение самостоятельных и целостных систем, а не как простую сумму разрозненных движений отдельных образующих их частиц (атомов, ядер и электронов). Те взаимодействия молекул, которые не сопровождаются изменением их структуры (т.е. определенного порядка химических связей между атомами внутри молекул), изучаются физикой и называются физическими. Взаимодействия же молекул, приводящие к их качественным взаимопревращениям, перестройке их внутренних связей, называются химическими и изучаются химией.

Так же, как в случае атомов, химическое поведение молекул является их индивидуальной характеристикой, специфически обусловлено их составом и структурой.

Мегамир.

Звезды. Звезды в обычном стационарном состоянии раскаленные газовые шарообразные небесные тела, находящиеся и гидродинамическом и тепловом равновесии. Гидродинамическое равновесие обеспечивается равенством сил тяготении и сил внутреннего давления, действующих на каждый элемент массы звезды. Тепловое равновесие соответствует равенсву энергии, выделяемой из недр звезды, и энергии, излучаемой с её поверхности. 3веды, кроме ближайшей – Солнца, находятся на столь больших расстояниях от Земли, что даже в самые сильные телескопы видны как светящиеся точки различной яркости и цвета. Основной видимой характеристика звезд является её блеск, который определяется мощностью излучения звезды и расстоянием до неё. Основными параметрами состояния звезд являются светимость, масса и радиус. Их численные значения принято выражать в солнечных единицах.

3везды по состоянию вещества в недрах разделяют па три главные группы: 1)нормальные, гидростатическое равновесие которых поддерживается давлением классической идеальной плазмы, существующей благодаря термической ионизации атомов, 2) белые карлики, 3) нейтронные

Основной источник излучения звезд является реакция термоядерного синтеза. После выгорания водорода в центре, сжатия ядра и повышения его темпуры становится возможным, при достаточно большой массе звезды, горение всё более тяжёлых элементов. Большую часть своей жизни звезда находятся в стационарном состоянии. Равновесность звезд при непрерывной потере энергии обусловлена сильным различием времени протекающих в них процессов. Нарушение механического равновесия, например снижение давления в звезде, приводит к ее сжатию и превращению части гравитационной энергии в теплоту.

Звезды весьма различны по их видимому блику. Этот признак стал основополагающим при разделении звезд на классы.

3везды возникают в результате конденсации межзвёздных пыли и газа, богатого водородом. Затем следует долгая стадия эволюции звезды.

Звезды, возникшие из одного газопылевого облака, образуют звездные скопления. Различают шаровые звездные скопления, состоящие из старых звезд, и рассеянные скопления, состоящие из молодых звезд (с возрастом менее 60 млн лет). Шаровые скопления находятся в центрах галактик, а рассеянные - на периферии.

Поскольку звезды удалены от Земли на огромные расстояния, на небосводе они выглядят как неподвижные объекты. Поэтому могут быть использованы как способ ориентации в пространстве. Для удобства запоминания и использования звезды объединены в 88 созвездий. Среди них 12 созвездий называются зодиакальными. Зодиак - пояс зверей. С Земли кажется, что Солнце, двигаясь на фоне звезд, проходит через эти созвездия в течение года.

Все звезды в созвездиях имеют наименования по буквам греческого алфавита и названию созвездия. Наиболее яркая называется альфа, вторая по яркости - бета, третья - гамма и т. д. Иногда звезды получают персональные имена, в первую очередь это относится к самым ярким звездам - Сириусу, Канопусу, Арктуру, Ригелю, Бетельгейзе, Антаресу и др.

Галактики. Галактики это гигантские звездные системы. Звездная система, в составе которой как рядовая звезда находится наше Солнце, называется Галактикой.

Внешний вид галактик чрезвычайно разнообразен, и некоторые из них очень живописны. Э. Хаббл избрал самый простой метод классификации галактик по внешнему виду, и нужно сказать, что хотя в последствии другими выдающимися исследователями были внесены разумные предположения по классификации, первоначальная система, выведенная Хабблом, по прежнему остается основой классификации галактик.

Хаббл предложил разделить все галактики на три основных вида:

1.Эллиптические (Е - elliptical).

2.Спиральные (S - spiral).

3.Неправильные (I - irregular).

Эллиптические галактики. Эллиптические галактики внешне самый невыразительный тип галактик. Они имеют вид гладких эллипсов или кругов с общим падением яркости по мере удаления от центра к периферии. Падение яркости описывается простым математическим законом, который открыл Хаббл. На языке астрономов это звучит так: эллиптические галактики имеют концентрические эллиптические изофоты, т. е. если соединить одной линией все точки изображения галактики с одинаковой яркостью и построить такие линии для разных значений яркости (аналогично линиям постоянной высоты на топографических картах), то мы получим ряд вложенных друг в друга эллипсов примерно одинаковой формы и с общим центром.

Эллиптические галактики состоят из звезд красных и желтых гигантов, красных и желтых карликов и некоторого количества белых звезд не очень высокой светлости. В них отсутствуют бело-голубые сверхгиганты и гиганты, группировки которых можно наблюдать в виде ярких сгустков, придающих структурность системе, нет пылевой материи, которая, в тех галактиках где она имеется, создает темные полосы, оттеняющие форму звездной системы. Поэтому внешне эллиптические галактики отличаются друг от друга в основном одной чертой - большим или меньшим сжатием.

Спиральные галактики. Спиральные галактики это может быть самые живописные объекты во Вселенной и, в отличие от эллиптических галактик, являют собой пример динамичности формы. Их красивые ветви, выходящие из центрального ядра и как бы теряющие очертания за пределами галактики, указывают на мощное, стремительное движение.

Неправильные галактики. Рассмотренные выше типы галактик характеризовались симметричностью формы и определенным характером рисунка. Но встречается большое число галактик неправильной формы, без какой-либо общей закономерности структурного строения. Это так называемые неправильные галактики, обозначаемые Irr.

Неправильная форма у галактики может быть вследствие того, что она не успела принять правильной формы из-за малой плотности в ней материи или из-за молодого возраста, а также возможно искажение формы галактики вызвано вследствие ее взаимодействия с другой галактикой.

Метагалактика. В 1981 году было сообщено об открытии огромной области пространства размером со сверхскопление, почти лишенной как отдельных галактик, так и их скоплений. Открывшие эту область астрономы назвали ее "пустотой" и обратили внимание на то, что космологи должны уметь объяснять отсутствие галактик так же, как и их наличие. Сейчас известно еще несколько пустот, крупнейшая из которых имеет размер 2 млрд. на 1 млрд. световых лет. Вместе с этими открытиями пришло понимание того, что галактики - это не просто объекты, которые иногда собираются в скопления. Вместе этого оказалось, что, по крайней мере, в некоторых частях Вселенной, галактики образуют сеть с большими пустотами в промежутках между ними.

Метагалактикой является объединение (скопление) галактик примерно такого порядка, каким для звезд нашей системы является Галактика. Следует предположить существование и других метагалактик.

Эволюция Метагалактики, галактик и отдельных звезд. На протяжении XX столетия трудами А Фридмана, А. Эйнштейна, Э. Хаббла, Ж. Леметра, ГА. Гамова и других исследователей разработана концепция, согласно которой Метагалактика находится в процессе расширения, разбегания галактик от какого-то первичного центра, в котором и зародилась наша Вселенная. Что предшествовало ей"- трудно сказать. Предполагается, что современная Вселенная произошла из материи, находящейся в особом чрезвычайно раскаленном, сверхплотном состоянии. Примерно 15-20 млрд лет назад этот сгусток материи, этот «первоатом» в силу еще неясных причин как бы взорвался и стал быстро расширяться с резким падением температуры. В ходе этого процесса расширения Метагалактики, продолжающегося до сих пор, и сложилась та ее структура, которая наблюдается в настоящее время.

Теория расширяющейся Вселенной основана на истолковании экспериментально зафиксированного красного смещения спектральных линий галактик как следствия эффекта Допплера, объясняющего красное смещение разбеганием галактик. Однако такое истолкование не единственное, за последние десятилетия все больше накапливается сомнений в реальности расширения Вселенной. Эволюция космических систем несомненна, но следует различать объективные законы эволюции и теоретические выражения их с помощью различных моделей. В частности, явление красного смещения линий спектра может быть объяснено как следствие уменьшения энергии и собственной частоты фотонов в результате взаимодействия с гравитационными полями при движении света в течение многих миллионов лет в межгалактическом пространстве.

Эволюцию претерпевают все космические объекты - звезды, планеты, галактики. Сейчас известно, что обычные звезды в ходе претерпеваемых изменений превращаются в так называемые «белые карлики», «нейтронные звезды» и «черные дыры» рассмотренные выше.

Образование звезд имеет следующие этапы:

1.На первом этапе существует газопылевое облако, в котором частички газа и пыли начинают притягиваться друг к другу.

2.В процессе этого притяжения облако начинает разогреваться.

3. При достижении температуры в ядре звезды в 10 млн градусов Цельсия начинается термоядерная реакция. Водород превращается в гелий, что сопровождается излучением во всех частях спектра. Благодаря этому излучению звезда становится звездой, т. е. видимым космическим объектом.

После начала термоядерной реакции звезда проходит следующие этапы существования:

нормальные, или желтые, звезды. Находятся на этапе выгорания водорода. По мере выгорания водорода формируется гелиевое ядро, которое отделено от водородной оболочки зоной конвекции и излучения;

сверхгигант, или красный гигант. Гелиевое ядро звезды сжимается, а размеры звезды значительно увеличиваются за счет того, что водородная оболочка удаляется от ядра. Масса красного гиганта начинает сокращаться не только из-за горения водорода, но и из-за потерь вещества на внешней оболочке звезды;

белый карлик. Внешний слой истощается, рассеивается в космическом пространстве, и от звезды остается только горячее гелиевое ядро. Гравитационное сжатие ядра продолжается. Первоначально поверхность белого -карлика имеет очень большую температуру (до десятков тысяч градусов), но затем быстро остывает. Диаметр белого карлика составляет лишь 5-10 тыс. км, т. е. сравним с диаметром Земли;

нейтронная звезда. Продолжающееся сжатие ядра и ускорение вращения вокруг своей оси приводят к уплотнению и схлопыванию атомов. Электроны соединяются с протонами, и образуются нейтроны. Белый карлик превращается в нейтронную звезду. Размер такой звезды составляет лишь несколько десятков километров (диаметр г. Москвы), скорость вращения вокруг оси - несколько сотен оборотов в минуту. Колоссальная плотность нейтронной звезды приводит к такому искривлению пространства вокруг нее, что вещество звезды стремится к сжатию в точку;

черная дыра. Концентрация массы в пространстве достигает такой степени, что в одной чайной ложке оказалось бы 100 млн метрических тонн вещества. Все объекты и излучения, находящиеся в зоне гравитационного действия черной дыры, стремятся к ней. Размер черной дыры составляет 2-3 км; конечная стадия существования черных дыр -взрыв и рассеивание вещества. На этой стадии существование звезды можно считать окончательно завершенным. Скорость прохождения звездой перечисленных этапов существования зависит от ее размеров. Большие звезды проходят все перечисленные этапы быстрее.

Концепции мегамира.

Принцип несотворимости и неучтожимости материи.

С давних времен известно, что из ничего ничего не возникает. Любой объект может возникнуть лишь из других объектов. Абсолютной пустоты как полного отсутствия материи не существует. Если отсутствует вещество, то существует поле, если отсутствует поле, то существует его физический вакуум. Под вакуумом современная физика понимает особое состояние материи, а не абсолютное «ничто». Например, вакуумом электромагнитного поля называют такое его состояние, в котором нет фотонов. Поэтому когда физики говорят о возможности возникновения вещества из вакуума, это не значит, что речь идет о возникновении вещества из пустоты. Встречающиеся рассуждения о том, что во Вселенной в какую-то единицу времени якобы из «ничего» возникает какое-то количество вещества, могут означать лишь то, что речь идет о возникновении известного вещества из какого-то другого, еще не установленного вида материи.

Свое всестороннее выражение принцип несотворимости и неуничтожимости материи и ее атрибутов находит в физических законах сохранения. Растет число частных законов сохранения отдельных характеристик физических форм движения. В начале XX в. были известны законы сохранения массы, энергии, электрического заряда, импульса, момента импульса. Ныне к ним прибавились законы сохранения четности, странности, барионного и лептонного зарядов и другие. С открытием каждого закона сохранения неразрывно связано появление нового фундаментального свойства материи. Характерной особенностью законов сохранения является То, что они могут выражаться в форме ограничений или даже категорических запретов, означающих невозможность протекания тех или иных процессов в определенных условиях.

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.

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.

Понятно, что границы микро - и макромира подвижны, и не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты, построены из микрообъектов и в основе макро - и мегаявлений лежат микроявления. Это наглядно видно на примере построения Вселенной из взаимодействующих элементарных частиц в рамках космомикрофизики. На самом деле мы должны понимать, что речь идет лишь о различных уровнях рассмотрения вещества. Микро-, макро - и мегаразмеры объектов соотносятся друг с другом как макро/микро~ мега/макро.

В классической физике отсутствовал объективный критерий отличия макро - от микрообъекта. Это отличие ввел М. Планк: если для рассматриваемого объекта минимальным воздействием на него можно пренебречь, то это макрообъекты, если нельзя - это микрообъекты. Из протонов и нейтронов образуются ядра атомов. Атомы объединяются в молекулы. Если двигаться дальше по шкале размеров тел, то далее следует обычные макротела, планеты и их системы, звезды скопления галактик и метагалактик, то есть можно представить переход от микро-, макро - и мега - как в размерах, так и моделях физических процессов.

Микромир

Демокритом в античности была выдвинута Атомистическая гипотеза строения материи, позже, в XVIII в. была возрождена 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.

Обе эти модели оказались противоречивы.

Главная > Лилия > Взаимосвязь микро макро и мега уровней материи. Микро, макро, мега миры

Взаимосвязь микро макро и мега уровней материи. Микро, макро, мега миры

Краткое описание

Вложенные файлы: 1 файл

Микромир

Рекомендуем также