ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ. СТРУКТУРА МАТЕРИИ

Все это очень красиво и крайне важно,

но, к сожалению, не очень понятно.

Г. А. Лоренц

Это – наивысшая музыкальность

в области мысли.

А.Эйнштейн (о Н.Боре)

Познание свойств материи издавна влекло человека. Сначала под материей (materia греч. - вещество) понималось только вещество, в ХIХ и ХХ веках это понимание изменилось.Сейчас под материей понимают объективную реальность, существующую вне и независимо от нашего сознания и данную нам в ощущениях. Она несотворима и неуничтожима.

Корпускулярная концепция предполагает зернистость, дискретность строения материи, зародилась она еще в древнем мире (атомистическое учение). Континуальная, т. е. предполагающая непрерывность материи, появилась тогда же, но получила меньшую известность и меньшее обоснование. Борьба этих двух концепций была достаточно острой в ХVII-ХIХ веках в связи с вопросом о природе электромагнитного излучения (поток корпускул - частиц - по Ньютону или волна по Гюйгенсу и Максвеллу).

Новая спор возник вследствие того, что господствующая в физике к концу ХIХ века волновая теория света не могла объяснить двух фактов: законов теплового излучения и фотоэффекта. Например, скорость фотоэлектронов, вылетающих с поверхности вещества под действием света, зависит от его частоты и не зависит от интенсивности. Или, в спектре излучения нагретого тела количество теряемой им энергии с ростом частоты сначала возрастало до некоторого значения, затем - убывало. Для объяснения второго факта М.Планк ввел в физику понятие кванта (1900 г.) - минимальной порции энергии, не связанной с какой - либо частицей. Понятие прочно утвердилось в науке и позже было связано со строением атома (квантовые постулаты Н.Бора) и фотонами - частицами света (1926 г.). Однако физикам не удалось полностью отказаться от волновой теории, т.к. только она объясняла интерференцию и дифракцию. Сложилась ситуация, названная корпускулярно - волновым дуализмом свойств света: в одних процессах (поглощения и излучения) свет ведет себя как поток частиц, в других (распространение) - как волна, т. е. обладает двойственной природой. Корпускулярная и волновая концепции дополняют друг друга, ни одна из них в отдельности не отражает в полной мере реальность – в этом заключается один из фундаментальных принципов физики (принцип дополнительности).

Как известно, электромагнитная волна - изменяющееся во времени и пространстве электромагнитное поле, т. е. одна из форм существования материи. Вторая форма - вещество. Не обладает ли и оно двойственной природой? (К началу ХХ века победила атомистическая (корпускулярная) теория строения вещества).

Подобную гипотезу высказал в 1925 г. Л. де Бройль: он предположил, что электрон обладает волновой природой, и разработал непротиворечивую теорию, которая несколько позже, казалось бы, была подтверждена обнаружением дифракции электронов на кристалле. Однако как электрон, в общем - то имеющий ограниченный объем, представить в виде волны? Пульсирующим шариком? М. Борн в 1926 г. предложил считать его не «волной вещества», а «волной вероятности», математической абстракцией. В итоге электрон и любая элементарная частица «перестали быть» обычными частицами и «не стали» реальными волнами: они обладают совершенно новойприродой и могут быть описаны уравнениями частиц и уравнениями волн вероятности (подробнее позже). В.А.Фок писал: «…для атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя, в зависимости от внешних условий, либо как частица, либо как волна, либо промежуточным образом». Т. о., конкуренция корпускулярной (дискретной) и континуальной (волновой) концепций описания природных объектов закончилась рождением новой квантовой физики, имеющей дело с вероятностями. Элементарные частицы перестали быть частицами, подобными крупинкам песка. Классическая «механика частиц» оказалась применима лишь в очень узкой области микромира.

Область микромира довольно обширна: молекулы, атомы, элементарные частицы, в настоящее время создается теория суперструн, в рамках которой то, что мы сегодня называем наименьшим «кирпичиками» материи, есть лишь возбужденные состояния квантов пространства.

Рассмотрим структуру материи с точки зрения различных естественных наук. Прежде всего, материя делится на живую и неживую. Живую материю изучает биология и смежные науки, ее отличительными особенностями являются: высокая степень организации, способность извлекать и использовать энергию окружающей среды, способность к самовоспроизведению, приспособляемость, способность к историческому развитию. Изучение неживой материи является предметом других естественных наук: физики, химии, геологии и т. д. На уровне микромира разделение материи на живую и неживую становится условным - это уровень молекул (Рис.8).

Далее, материя существует в форме вещества или поля (это деление на уровне элементарных частиц также становится условным – микрообъекты не обладают ни корпускулярной ни волновой природой). В физике выделяют следующие структурные уровни (Рис.9).

Барионы и мезоны объединяются в класс адронов- частиц, участвующих в сильном взаимодействии, лептоны в нем не участвуют. Класс частиц переносчиков включает фотон, глюон, промежуточный векторный бозон и гравитон, пока не обнаруженный.

Размеры тел, относящихся к структурным уровням вещества, нельзя определить точно: для мегамира это от 10¹² до 10¹⁸ км, для макромира - от 0, 1 мм до нескольких км, для микромира - от 10^{-7 м и меньше. При этом наблюдаемая область материального мира имеет масштабы: от10-13}м до 10²⁶м (около 20 млрд. световых лет, св.год – расстояние, которое преодолевает свет за год). Количество элементарных частиц в настоящее время превышает 350, поэтому возник вопрос: действительно ли они элементарны?

В 60 - е годы было обнаружено, что большинство частиц имеет сложную структуру - они состоят из кварков (за исключением лептонов). Кварки делятся на 6 видов (u, d, b, c, s, t) и имеют античастицы ( , , , , , ), барионы состоят из 3-х кварков (p - uud), мезоны - из двух (π ⁺ - u ). Отличительной особенностью кварков является их дробный электрический заряд (±1/3, ±2/3) и невозможность получить их в «чистом виде»: свободного кварка не существует - слишком велики силы взаимодействия между кварками в частицах ядра. Процессы рождения-уничтожения элементарных частиц сопровождаются взаимодействием с виртуальными (возможными) частицами вакуума, который является миром виртуальных частиц, т.е. частиц, которые могут появиться, а могут не появиться в нашем реальном мире (вакуум - не пустота, как считали ранее). Т. о., вещество состоит из «кирпичиков», различных по размеру. Истинно элементарными считаются лептоны и кварки.

Как уже говорилось выше, на уровне элементарных частиц вещество и поле становятся неразличимыми: например, фотоны (γ ) - кванты электромагнитного поля (их называют переносчиками электромагнитного взаимодействия). Тела, которые взаимодействуют электромагнитными силами, - осуществляют это взаимодействие посредством обмена фотонами (поэтому все виды полей называются обменными). В отличие от вещества поле бесконечно в пространстве и распространяется только со скоростью света. На сегодняшний день известно 4 типа полей, указанных в схеме (Рис.9).

Есть ли в химии свои «кирпичики»? Безусловно, хотя частично это - и «физические кирпичики». Химия изучает процессы превращения молекул веществ при их взаимодействиях и при воздействиях на них теплом, светом, электрическим током. Молекулы состоят из атомов, те, в свою очередь, из ядер и электронов. Однако молекулы веществ различны - некоторые состоят из нескольких одинаковых атомов (Н₂), нескольких неодинаковых атомов (Н₂О), другие лишь из одного (Fe). Поэтому в химии различают основные вещества, называемые химическими элементами, и комбинации их, называемые химическими соединениями (они бывают органические и неорганические). Однако именно молекула является наименьшим количеством вещества, ответственными за его химические и физические свойства. Т. о., в химии можно выделить следующие структурные уровни материи (Рис.10).

Среди наук о Земле как целостной сущности наиболее значимы география и геология. Структура материи с точки зрения этих наук, рассматривающих планету как совокупность оболочек, в которых протекают процессы планетарного масштаба (движение литосферных плит, глобальные колебания климата, поднятие и опускание суши, изменения состава атмосферы и т.п.), выглядит следующим образом (Рис.11). мы включили сюда и биосферу – особую геологическую оболочку, заселенную живыми организмами, но не включили магнитосферу.

География (физическая) рассматривает нашу планету «снаружи», основные структурные элементы географической оболочки – м а т е р и к и и о к е а н ы, которые включают в себя речные бассейны, горные массивы, леса, пустыни, тундры и т.д., причем здесь очень сложно выделить наименьшую единицу структуры. большую часть поверхности нашей планеты (71%) занимает мировой океан (на 97% - соленые воды). В этой оболочке происходят изменения климата, рельефа, ландшафтов, круговорот веществ и т.д., причем в эти процессы все активнее вмешивается человек. Выделяют догеологический, добиогенный, биогенный и антропогенный этапы ее развития.

Подобную иерархическую схему можно построить и для геологии – еще одной науки о Земле. Особенности предметов ее рассмотрения – огромные масштабы (десятки, сотни и тысячи километров) и длительные процессы (тысячи, сотни тысяч и десятки миллионов лет). Геология рассматривает природные тела (горные породы и массивы, континенты и пр.), их строение и состав, расположение в земной коре; геологические процессы (тектоника, вулканическая деятельность и т.д.), их причины и закономерности. Основные элементы геологической оболочки, изучаемые этой наукой: г о р н ы е п о р о д ы и составляющие их м и н е р а л ы (магматические – граниты, базальты, кварц и пр., осадочные - пески, известняки, глины, минеральные соли и пр., метаморфические или измененные осадочные – мрамор, гранат, графит и пр., породы органического происхождения – уголь, нефть, янтарь и пр.), единственного наименьшего элемента тоже нет. Минералы состоят из химических соединений или химических элементов (самородные), т. е. веществ, которые уже нельзя разложить на другие вещества химическим путем (из 107 элементов 90 встречаются в естественном виде в земной коре, 22 из них – самородные: золото, серебро, алмаз и др.), на уровне минералов и даже горных пород возможен переход к структуре материи с точке зрения химии. можно предположить, что именно минералы – наименьшая структурная единица в геологии.

основные этапы развития геологической оболочки: докембрийский эон (Архей – около 2 млрд. лет, Протерозой – около 2 млрд. лет); фанерозойский эон – 600 млн. лет по настоящее время (Палеозой – 220-570 млн. лет назад, мезозой – 70-220 млн. лет назад, кайнозой - сейчас).

Физические и химические структурные единицы материи, безусловно, являются основой биологических, которые обладают своими особенностями.

Как отмечал Н. Бор: «... организм обладает чертой цельности, какой никогда не может обладать система из множества атомных кирпичиков... Целостные структуры атомной физики - атомы, молекулы, кристаллы - это статические образования. [Они... не обнаруживают никакого изменения во времени]... Но организмы - не статические образования... живые организмы, подобно пламени, представляют собой такую форму, через которую материя в известном смысле проходит как поток».

известно четыре макроуровня организации живого: молекулярно-генетический (ДНК, хромосомы, гены, нуклеиновые и аминокислоты и т.д.), онтогенетический (индивидуального

развития особи, начинается с клеточного уровня), популяционно-видовой (отдельных видов и их различных сообществ), биогеноцентрический (биосферный). Биосфера - совокупность всего живого на Земле. Ноосфера - относительно новое понятие: это биосфера, измененная трудом человека и его научной мыслью, измененная разумно. Собственно элементарной структурной единицей в биологии является клетка, обладающая всеми главными свойствами живой системы: она осуществляет обмен веществ и энергии, растет, размножается и передает по наследству свои признаки, реагирует на внешние раздражители, способна двигаться (представляет собой оболочку со студнеобразным содержимым из макромолекул белка и нуклеиновых кислот). Структурные уровни живой материи - на Рис.12.

Можно видеть, что концепция структурированности материи в той или иной степени реализована во всех естественных науках, имеет общие структурные элементы, причем наименьшие «кирпичики» изучает физика как самая фундаментальная из наук.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ КОНСТАНТЫ

что есть все?

Фалес

Религиозность ученого состоит в восторженном

преклонении перед гармонией законов природы.

А.Эйнштейн

Взаимодействие – одна из фундаментальных категорий естественных наук, взаимодействие обусловливает соединение элементов в системы, свойства этих систем и даже собственно их обнаружение. Взаимодействие – процесс взаимного воздействия объектов друг на друга. В настоящее время известны четыре фундаментальных физических взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное (в схеме на Рис.8 они представлены своими проявлениями – четырьмя видами полей и их квантами). Все другие виды взаимодействий – лишь их частные случаи (так, трение, сопротивление, упругость – проявления электромагнитного взаимодействия). Взаимодействия распространяются (передаются) со скоростью света (не мгновенно), носят обменный характер - каждое имеет своего переносчика – квант поля, свой радиус действия и интенсивность (определяется величиной соответствующего заряда).

Гравитационное и электромагнитное взаимодействия известны людям достаточно хорошо и обычно легко обнаруживаются. Гравитационное взаимодействие удерживает планеты при их движении вокруг звезд, звезды в звездных системах, обусловливает притяжение тел к Земле (гравитационным зарядом – он имеет одну разновидность - считают массу или энергию). Электромагнитное взаимодействие проявляется в притяжении или отталкивании заряженных тел, проводников с током, оно удерживает электрон, вращающийся вокруг атомного ядра (интенсивность определяется электрическим зарядом двух видов: положительным - зарядом протона и отрицательным - электрона). Два остальных взаимодействия не наблюдаются без специальных установок, но именно они обеспечивают существование нашего мира: сильное взаимодействие удерживает кварки внутри протона, других барионов и мезонов (сила взаимодействия определяется так называемым слабым зарядом трех видов), слабое взаимодействие проявляется при превращениях частиц - обнаружили его при b-распаде нейтрона (интенсивность определяется цветовым зарядом трех видов – красный, синий, зеленый).

Первые два типа взаимодействий действуют везде, но обычно наблюдаются в макромире, вторые два можно обнаружить только в микромире. Соответственно, по радиусам действия можно выделить группу взаимодействии с бесконечным радиусом: гравитационное и электромагнитное взаимодействия, а также группу взаимодействий с радиусом, ограниченным размерами атомного ядра, - сильное и слабое. В настоящее время предпринимаются попытки объединить все взаимодействия в одно (теория суперобъединения), пока удалось объединить электромагнитное и слабое в электрослабое.

Фундаментальные взаимодействия характеризуются соответствующими константами, которые в зависимости от систем координат могут иметь различные значения, например, в СИ заряд электрона q_e = -6 ∙ 10^-19 Кл, а его масса m_е =9, 1 ∙ 10^{-31 кг.} Краткая характеристика взаимодействий дана в таблице 1.

Здесь: гравитационное взаимодействие характеризуется постоянной Кавендиша G_m =6, 7 ∙ 10^-11 н ∙ м²/кг²; слабое взаимодействие — универсальной постоянной (Ферми) G_w =1, 4 ∙ 10^-62Дж ∙ м^-3 (индекс «w» - от английского слова «weak» -слабый); g_s= 8 ∙ 10^-2– цветовой заряд, причем g_s > > e (индекс «s» - от английского слова «strong» - сильный); α _e =1/137 - так называемая «постоянная тонкой структуры», ћ = h/2π – постоянная Планка.

Среди фундаментальных констант условно можно выделить: мировые (универсальные), электромагнитные, атомные и физико-химические. Мировые (универсальные) константы представлены в таблице 2.

Таблица 1.

Взаимодействие	переносчик	Относит. значение (интенсивность)	Радиус действия	константы взаимодействий	про-явление
значение	формула
Гравитационное	гравитон?		∞	6∙ 10^-39		тяготение
Электромагнитное	фотон	10³⁸	∞	1/137		γ -распад ядра
Сильное	глюон	10⁴⁰	10^-15м			α -распад ядра
Слабое	бозон	10²⁷	10^-18м	10^-14		β -распад ядра

Таблица 2.

	Константа	Обозначение	Численное значение
Скорость света в вакууме	c	2, 998∙ 10⁸ м/с
Гравитационная постоянная	G	6, 672∙ 10^-11 н∙ м²/кг²
Постоянная Планка	h	6, 62676∙ 10^-34 Дж∙ с

В настоящее время нет четкого критерия, позволяющего установить, какие из констант можно считать истинно фундаментальными. М.Планк для построения единой физической теории предложил использовать четыре константы: скорость света, гравитационную постоянную G, постоянную Больцмана k и постоянную Планка h, А.Эйнштейн -заряд электрона, егомассу, массу протона, скорость света, гравитационную постоянную и постоянную Планка. М.Планк рассчитал кванты времени и длины («планковское время» и «планковскую длину») – 10^-44с и 10^-33м, которыми характеризуется состояние нашего пространства-времени в первичной сингулярности или в черной дыре.

Существует точка зрения, разделяемая многими выдающимися физиками, что в принципе возможно сведение всех фундаментальных постоянных к одной константе. То, что некоторые из этих связей еще не найдены, можно рассматривать как свидетельство наших неполных знаний о свойствах материи.

Так ли уж важно существование рассматриваемых констант, какую роль они играют в нашем мире? Что изменилось бы, если бы константы были другими? Оказывается, все четыре вида взаимодействия и их константы обусловливают нынешнее строение и существование Вселенной. Достаточно небольших (10-30%) отклонений значений постоянных в ту или другую сторону - и наша Вселенная окажется настолько упрощенной системой, что ни о каком ее направленном развитии не сможет быть и речи. Не смогут существовать основные устойчивые состояния - ядра, атомы, звезды и галактики.

Рассмотрим несколько примеров. Объединение двух констант, заряда электрона и его массы, e/m - удельный заряд электрона - равен 1, 76·10¹¹ Кл/кг. Увеличение удельного заряда в 10 раз приведет к падению электронов на ядро вследствие роста силы кулоновского притяжения, т.е. разрушению атома, уменьшение заряда во столько же раз - соответственно, к уменьшению этой силы и увеличению радиуса атома, а это уже обусловит меньшую его устойчивость в химических и других реакциях. Таким образом, привычный для нас мир будет невозможен, тем более, такие сложные структуры как жизнь.

Постоянная Больцмана (k = 1, 38·10^-23Дж/К) связана с термодинамическими параметрами – температурой, давлением, плотностью. Она не влияет на свойства нашего мира – меняются лишь числовые значения и вид законов. Если она была бы больше в 10 раз своего нынешнего значения – во столько же раз возросло давление атмосферы (при постоянной температуре) или температура (при постоянном давлении). В любом случае либо давление (10 атм), либо температура (2500К) окажутся неподходящими для нашей формы жизни (то же и при уменьшении константы).

Увеличение или уменьшение постоянной Планка в 10 раз приведет либо к увеличению (уменьшению) излучаемой Солнцем энергии (E=hν ) и масс частиц - в случае, если в формуле m= hν /c² изменяется только h и не изменяется одновременно частота ν . Рост излучения Солнца привел бы к совершенно другим температурным режимам на планетах, поставил само их существование под вопрос; рост масс частиц «утяжелил» бы объекты нашего мира (в первую очередь, звезды) настолько, что гигантская гравитация привела бы к их гибели. Если же рост h сопровождался бы убыванием и ν , то при сохранении масс частиц измененные частоты излучений (и энергии квантов) разных видов также значительно изменили бы мир и наше восприятие его. Но и малые изменения «небезопасны»: увеличение постоянной Планка более чем на 15% приведет к невозможности существования ядер (протон не сможет объединиться с нейтроном).

Большее значение гравитационной постоянной существенно изменило бы конфигурацию многих звездных систем, уплотнение планет, частые взрывы звезд либо их резкое гравитационное сжатие (гравитационный коллапс) на определенной стадии эволюции, изменение строения атомов и т.д. Скорее всего, жизнь любой формы была бы невозможна в такой Вселенной – все процессы (физические, химические и пр.) оказались бы слишком медленными.

Скорость света в вакууме как предельная возможная в нашем мире также влияет на многие фундаментальные процессы - термоядерные реакции в звездах (рост с приведет к росту энергии излучения E=mc² и звезда «взорвется» изнутри, уменьшение – к сжатию).

Все вышесказанное показывает, что наша Вселенная имеет «тонкую подстройку», согласование констант, которое вместе с существованием определенных физических законов, свойств элементов и характера взаимодействия между ними определяют устройство нашей Вселенной и «разрешают» существование нашей формы жизни.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒