Структурные уровни материи. Микромир, макромир, мегамир

ПЛАН

1. Структурные уровни материи. Микромир, макромир, мегамир…………..3
2. Характеристика основных физических взаимодействий…………………..7

Список используемой литературы………………………………………….….12

 

1. Структурные уровни материи. Микромир, макромир, мегамир

Важнейшее свойство материи — ее структурная и системная организация, которая выражает упорядоченность существования материи в виде огромного разнообразия материальных объектов различных масштабов и уровней, связанных между собой единой системой иерархии.

В современном естествознании множество материальных систем  условно делится:

• микромир
• макромир
• мегамир

К микромиру относятся молекулы, атомы и элементарные частицы.

Материальные объекты, состоящие из огромного числа  атомов и молекул, образуют макромир.

Самую крупную систему материальных объектов составляет мегамир — мир планет, звезд, галактик и Вселенной.

Материальные системы  микро-, макро- и мега мира различаются  между собой размерами, характером доминирующих процессов и законами, которым они подчиняются. Важнейшая  концепция современного естествознания заключается в материальном единстве всех систем микро-, макро- и мега мира. Можно говорить о единой материальной основе происхождения всех материальных систем на разных стадиях эволюции Вселенной.

Микромир – это мир на уровне элементарных частиц. Элементарных частиц очень много: около четырехсот. Большинство из этих частиц – физическая экзотика. Весь наш привычный мир построен всего из трех элементарных частиц, которые были открыты первыми – это электрон, протон и нейтрон. К элементарным частицам относят также фотон – частицу электромагнитного поля. У них нет четкой границы, они как бы размазаны по пространству. Тем не менее не вызывает возражений утверждение, что элементарные частицы очень малы.

Так как все вещество построено из протонов, нейтронов и электронов, а электромагнитное поле – из фотонов, можно утверждать, что основное население микромира состоит из этих четырех частиц. Это не означает, что остальные частицы не имеют никакого значения. Каждая из элементарных частиц важна на своем месте. Например, мезоны обеспечивают взаимодействие между протонами и нейтронами и удерживают их вместе в ядре. Всепроникающие и почти неуловимые нейтрино образуются при некоторых реакциях, унося часть энергии. Без них эти реакции были бы невозможны.

Макромир – это Солнечная система.

В Солнечной системе 9 больших планет: Меркурий, Венера, Земля  с Луной, Марс с Фобосом и Деймосом, Юпитер с 16 спутниками, Сатурн с 17 спутниками, Уран с 16 спутниками, Нептун с 10 спутниками. Между орбитами Марса и Юпитера находятся пояс астероидов. За орбитой Нептуна располагается пояс Кайпера, в котором среди обломков небесных тел находится карликовая планета Плутон. Солнечной системе принадлежат также кометы и метеорные тела.

Наше Солнце – типичный представитель звезд, богатых железом и другими элементами, звезд носящих название желтого карлика. Оно вращается вокруг галактического центра по почти круговой орбите со скоростью около 220 км/c и совершает полный оборот за 226 млн. лет (галактический год). Солнце – звезда относительно спокойная, но даже оно испытывает колебания с различными периодами, на его поверхности происходят взрывы и выбросы вещества.

Важной особенностью нашего макромира является планета  Земля, для которой кроме обычных, для других планет, физической и химической форм материи характерно также развитие биологической и социальной форм материи, что, возможно придает нашему макромиру определенное своеобразие. Пока, именно здесь в сравнительно малом объёме, достаточно полно проявлены роли и разнообразия Духовности, Разума и Информации.

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.

Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Космология как раздел естествознания, находится на своеобразном стыке науки, религии и философии.

Современные космологические  модели Вселенной основываются на общей теории относительности 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.

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. Существуют огромные объемы пространства (порядка миллиона кубических мегапарсек), в которых галактик пока не обнаружено.

Возраст Метагалактики  близок к возрасту Вселенной. 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.

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.

Ассоциации, или скопления  звезд, также не являются неизменными и вечно существующими. Через определенное количество времени, исчисляемое миллионами лет, они рассеиваются силами галактического вращения.^[2]

 

 

2. Характеристика основных физических взаимодействий

К настоящему времени  известны четыре вида основных фундаментальных взаимодействий: гравитационное; электромагнитное; сильное; слабое.

Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Созданная в ХVII в. ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы.

Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 1039 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов.

Все дело во второй удивительной черте  гравитации - ее универсальности. Ничто  во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации, и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение.

Кроме того, гравитация - дальнодействующая сила природы. Это  означает, что, хотя интенсивность гравитационного  взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

Сила гравитации, действующая  между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось.

 

Электромагнетизм

По величине электрические  силы намного превосходят гравитационные. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и другие). В течение долгого времени электрические, и магнитные процессы изучались независимо друг от друга.

Существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 90-е гг. XIX в. Но не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. В этом электричество и отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.

В отличие от электрических  зарядов магнитные полюсы встречаются  не по отдельности, а только парами - северный полюс и южный. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи - в мегамире, макромире и микромире. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов.

Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое  пространство; мощное поле Солнца заполняет  всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет также структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных). К нему сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и другие.

Слабое взаимодействие

К выявлению существования  слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому с  его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада.

У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде как будто  нарушается один из фундаментальных  законов физики – закон сохранения энергии. Казалось, что часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она - нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино».

Электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер нет таких частиц. Об их возникновении было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, то есть вместо одной частицы появляется три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие.

Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях.

Сильное взаимодействие

Последнее в ряду фундаментальных  взаимодействий - сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, - Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.

К представлению о  существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры  атомного ядра. Гравитация слишком слаба и не может это обеспечить; очевидно, необходимо какое-то взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны неподвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы. Оно ответственно за образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц.