Единство материального мира

1. Единство материального мира. Всеобщий характер законов природы.

 С точки зрения современного естествознания, материя существует в двух формах: в виде вещества и в виде поля (электромагнитного и гравитационного). Вещество состоит из атомов и молекул и может находиться в твердом, жидком, газообразном и плазменном состояниях.

Каждый атом, как химический элемент, остается неизменным независимо от того входит ли он в состав живого организма или горных пород; находятся ли эти породы на планете Земля или другой планете; находится ли эта планета в нашей галактике или любой другой галактике Вселенной. Об этом свидетельствует спектральный состав света далеких и близких звезд, планет и комет, а также химический состав Лунного грунта, метеоритов, планет и их спутников. Едиными остаются и физические процессы, происходящие в отдаленных друг от друга областях космоса, и все они описываются одними и теми же фундаментальными законами. Мир един, в нем все связано со всем и все происходит по одним и тем же законам. Нет каких-то изолированных подсистем, в которых течет своя изолированная «жизнь». Единство характера и законов взаимодействия материальных объектов позволяет многие процессы, происходящие во Вселенной, исследовать в лабораторных условиях на Земле и с помощью компьютерного моделирования прогнозировать будущее состояние системы и проследить ее развитие в

прошлом.

      Столь уникальное единство материального мира обусловлено в первую очередь единой природой межзвездной материи, образовавшейся в процессе рождения Вселенной, из которой впоследствии сформировались Звезды, Галактики и другие космические объекты, а также исключительной стабильностью электрона и протона, как основных «кирпичиков» мироздания, и сохранением мировых констант, таких как гравитационная постоянная, постоянная Планка и др., которые при любых взаимодействиях остаются неизменными.

     Поразительным является также «подогнанность» всех этих констант: заряды электрона и протона оказываются равными друг другу с точностью до 21 знака после запятой (установление большей точности ограничено пределами современных методов измерения). Всеми этими свойствами была наделена материя при ее рождении и в соответствии с ними был сформирован мир, в котором мы живем.

 

2. Фундаментальные взаимодействия и фундаментальныe законы

    Большинство концепций современного естествознания прямо или косвенно сформировались на основе базовых фундаментальных концепций,

которые были сформулированы в физике. Они являются наиболее простыми и вместе с тем универсальными, определяющими взаимодействия и  поведение всех объектов материального  мира.

 К ним относятся: фундаментальные взаимодействия, симметрия и асимметрия, законы сохранения.

Фундаментальные взаимодействия Несмотря на все многообразие взаимодействий материальных объектов и различных видов сил, все их в настоящее время удалось свести к четырем типам взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное (ядерное) и слабое взаимодействие.

Гравитационное  взаимодействие – это наиболее универсальное

взаимодействие, проявляющееся  для всех без исключения материальных объектов как в виде вещества, так и в виде поля. Суть его заключается во взаимном притяжении любых материальных объектов и описывается законом

Всемирного тяготения: характерными свойствами гравитационного взаимодействия являются: неограниченный радиус действия и ненасыщенность (любой гравитационный

объект может одновременно взаимодействовать с любым количеством  других объектов).

Несмотря на значительный «возраст» открытия закона Всемирного тяготения, а также на очевидность его проявления, природа гравитации до настоящего времени не установлена. Предполагается, что гравитационное взаимодействие должно быть связано с некими элементарными частицами –гравитонами. Однако экспериментально пока не удается зарегистрировать ни потоки этих частиц, ни гравитационные волны.

Электромагнитное  взаимодействие – это взаимодействие как покоящихся, так и движущихся зарядов. Носителем отрицательного заряда в веществе является электрон, а

носителем положительного заряда является протон . Электрический заряд также, как и масса – это внутреннее свойство частиц и не только электронов и протонов, но и большого числа других элементарных частиц, которые не являются составной частью вещества, но обнаруживаются в космических лучах, либо синтезируются на ускорителях элементарных частиц в лабораториях. Взаимодействие электрических зарядов осуществляется за счет электромагнитного поля, которое создается самими зарядами. Если заряды движутся, то кроме электрического поля они создают магнитное поле. Следует отметить, что магнитное поле может создаваться только движущимися зарядами или переменным электрическим полем –никаких магнитных зарядов, тем более «магнитных монополей» в природе не обнаружено.

Сильное взаимодействие (ядерное) обеспечивает связь между протонами

и нейтронами внутри ядра. Оно  является самым сильным из всех известных типов взаимодействий, в сотни раз превосходит электромагнитное отталкивание положительно заряженных протонов ядра, благодаря чему ядра, а значит атомы и вещество в целом стабильны. Ядерное взаимодействие является короткодействующим, ограничено радиусом ядра и насыщенным. Взаимодействие протонов и нейтронов внутри ядра носит обменный характер.

Время такого взаимодействия составляет около 10–22 с и является практически виртуальным. Природа внутриядерных взаимодействий, согласно квантовой хромодинамике, обусловлена уникальными свойствами протонов и нейтронов.

В свободном состоянии  протон и нейтрон – это две  разные элементарные

частицы, отличающиеся зарядом, массой и временем жизни. Протон р – это стабильная, положительно заряженная частица, время жизни которой τ >10 30 c. Нейтрон n –частица нейтральная, время жизни которой оценивают примерно τ ≈16 мин, после чего она распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино. Учитывая насыщенный характер ядерных сил, для стабильности ядер необходимо, чтобы количество протонов и нейтронов в них находилось в определенном соотношении. Если такое соотношение нарушено, ядро становится нестабильным, что приводит к радиоактивному распаду с выделением α или β -частиц и ядра изотопов других химических элементов.

Слабое взаимодействие ответственно за процессы, обусловливающие некоторые виды β -распадов элементарных частиц с радиусом действия почти точечным: около 10−18м. Слабое взаимодействие осуществляют так называемые слабые бозоны, в результате чего в процессе β -распада одни частицы превращаются в другие.

 

3. Структурные уровни организации материи: микро-,макро- и мегамир.

Все это многообразие материальных объектов и их взаимодействий подчиняется фундаментальным законам сохранения и происходит в рамках

четырех фундаментальных  взаимодействий.

   Однако, в разных пространственно-временных масштабах проявляются

свои специфические свойства и законы. В связи с этим вся  иерархия структур материального мира разделена по трем уровням: микро-, макро- и мегамир.

К мегамиру относят планеты, звезды, звездные скопления, галактики, метагалактику (наблюдаемую часть Вселенной) и Вселенную в целом.

Вселенная сегодня это миллиарды галактик, каждая из которых содержит многие миллиарды звезд. Галактики разделены друг от друга миллионами световых лет космического пространства

    Галактики – это четко ограниченные гравитационные звездные системы, включающие также межзвездный газ и пыль, галактическое магнитное поле и космические лучи. Галактики различаются как количеством звезд их составляющих (от 106 до 1012), так и размерами (от 1 до 40 Мпк), и массой от 106 до 1013 масс Солнца. Все звезды галактик вращаются вокруг своего общего центра массы, которым во многих галактиках являются черные дыры, с периодом в сотни миллионов лет и скоростями > 200км/c . Галактика, в которую входит наша Солнечная система, называется

Млечный путь. Это обширная звездная система, содержащая примерно 1011 звезд. По своей структуре Наша Галактика принадлежит к спиральным

Галактикам. Большая часть ее видимых звезд занимает в пространстве объем, имеющий форму диска, размеры которого составляют примерно: диаметр≈ 30 кпк , толщина ≈ 8 кпк . К диску примыкают два спиральных рукава, в которых сосредоточены горячие звезды высокой светимости и часть газо-пылевой межзвездной материи. Наша Солнечная система расположена на расстоянии около 10 кпк от галактического центра на внутреннем краю рукава,27 носящего название рукава Ориона.

Все звездные скопления нашей  Галактики, в том числе спиральные рукава и наша Солнечная система вращаются относительно центра массы Галактики. В настоящее время наша Солнечная система движется в относительно свободном пространстве: до ближайших звезд расстояние составляет тысячи световых лет. Но скорость вращения нашей Солнечной системы больше скорости вращения спиральных рукавов, поэтому примерно через 300 млн. лет она должна пересекать один из рукавов, звездная плотность в котором достаточно высокая.

Ближайшими к нам галактиками  являются: Магеллановы облака, Малая

Медведица, Дракон, Скульптор, туманность Андромеды и многие другие.

В целом, по данным астрономических  наблюдений, распределение Галактик во Вселенной по разным направлениям равномерно.

     Эволюция звезды начинается с образования плотного газового шара из межзвездной газопылевой материи. Под действием гравитационного сжатия ее размеры уменьшаются, температура возрастает, начинаются термоядерные

реакции, что сопровождается выделением энергии (излучения) и синтезом ядер гелия. Внутреннее давление при этом растет и постепенно уравновешивает гравитационное сжатие. В таком состоянии термодинамического равновесия звезда находится до тех пор, пока «не выгорит» ее горючее – водород (именно он в основном участвует в первичном термоядерном синтезе). В зависимости от массы и состава длительность равновесного свечения звезд существенно различна и составляет от 3 до 12 млрд. лет. Причем, чем больше масса звезды, тем меньше время ее равновесного свечения. Для звезды такого типа как наше Солнце этот период составляет около 12 млрд. лет. С учетом возраста нашей Солнечной системы ≈ 5 млрд. лет, Солнце еще не достигло своего среднего возраста и по оценкам ученых пробудет в равновесном свечении еще 5–7 млрд.лет.

Единой общепризнанной теории, которая смогла бы описать все  многообразие процессов, происходящих в звездах и галактиках, пока нет. Основными теориями, на которых строятся все расчеты, являются общая теория относительности и квантовая теория гравитации, так как именно гравитация объединяет звездные скопления в Галактики и является одним из

основополагающих факторов, определяющих эволюцию звезд.

Макромир объединяет все многообразие материальных объектов, пространственные масштабы которых измеряются в микронах (мк), метрах (м) и километрах (км), а время в секундах (с) и часах (ч). Все взаимодействия в макромире сводятся к двум фундаментальным взаимодействиям: гравитационному и электромагнитному. При скоростях много меньших скорости света v << c (с = 300 000 км/с), все процессы и взаимодей-ствия, происходящие в макромире, описываются тремя законами Ньютона, законом Всемирного тяготения и фундаментальными законами сохранения, такими как закон сохранения энергии, импульса, момента импульса, массы и электрического заряда. Взаимодействия молекул в твердом, жидком и газообразном состояниях, а также взаимодействие заряженных тел (зарядов) как покоящихся, так и движущихся, и проводников с токами, описываются законами классической электродинамики и теорией электромагнитного поля Максвелла. Все взаимодействия в макромире подчиняются принципу динамического детерминизма, согласно которому все наблюдаемые в природе явления и процессы причинно обусловлены и однозначно определяются естественными объективными законами.

  Микромир объединяет объекты, размеры которых ≈10−10м и менее. Это

электроны, ядра и атомы, элементарные частицы и античастицы, кванты электромагнитного поля (фотоны) . Всех их объединяет уникальное свойство – быть одновременно волной и частицей. Это свойство называют корпускулярно-волновой дуализм (КВД). Оно проявляется в том, что квантовые объекты в одних явлениях ведут себя как частицы, в других как волны. Частицы микромира (электроны, протоны, атомы) также обладают не только свойствами частиц, но и волновыми свойствами. Эти волны называют волнами де Бройля.

Принципиальным отличием состояния квантовых частиц, находящихся в потенциальном поле, от классических является:

• энергия, импульс, момент импульса квантовой частицы могут принимать

только дискретные значения величин, т.е. квантованы;

• вероятность нахождения частицы в разных точках пространства

потенциального поля не одинакова, есть точки, в которых квантовой  частице

находиться запрещено;

• энергия квантовой частицы не может быть равной нулю, так как движение как форма существования материи прекратиться не может.

Для квантовой частицы, вследствие ее корпускулярно-волновых свойств, можно определить лишь вероятность иметь заданное значение какой-либо физической величины. В тоже время методы квантовой физики, основанные на вероятностных свойствах квантовых частиц, позволяют рассчитать средние значения этих величин, что широко используется на практике для описания квантовых систем. На основе квантовых свойств частиц определяют строение атомов в таблице Менделеева, а также рассчитывают физико-химические и механические свойства жидких и твердых тел. В рамках квантовой механики описываются сверхпроводимость, ферромагнетизм, электрооптические явления в твердых телах, жидких кристаллах. На базе квантовой механики основана атомная и ядерная физики; квантовая химия и квантовая электроника; ведется разработка и создание чипов; формируются методы нанотехнологий.