Раздел 2. Единство материального мира. Всеобщий характер законов природы

2.1. Единство материального мира

Наука последних столетий, благодаря своим достижениям, позволила увидеть как многообразен окружающий нас мир – это молекулы и атомы; элементарные частицы и античастицы; физические поля; планетные системы, звезды, черные дыры, миллиарды галактик с миллиардами звезд в каждой. Как утверждает философия: «весь этот мир един и это единство мира заключено в его материальности, ибо в природе нет ничего кроме движущейся материи, а все происходящее есть результат взаимодействия материальных объектов».

Согласно современным представлениям материя существует в виде вещества, поля и физического вакуума. Все эти формы материи едины в своем основании, поскольку они есть объективная реальность и существуют независимо от нашего сознания. Вместе с тем вещество, поле и физический вакуум как материальные объекты имеют ряд принципиальных отличий.

Физический вакуум рассматривается современной наукой как особая форма материи, обладающая свойством быть вездесущей, неустранимой и при этом имеющей сложную структуру и ненулевую энергию. Физический вакуум сравнительно мало изучен, однако его уже привлекают для описания квантовых процессов в микромире, а также используют в астрофизике для построения моделей и теорий эволюционных процессов во Вселенной и, в частности, в создании теории черных дыр.

Поле – это материальная среда, которая создается материальными объектами и через которую они взаимодействуют между собой. Наиболее полно современной наукой изучены электромагнитные и гравитационные поля. Эти поля обладают свойством непрерывности (континуальности), а их носители фотоны и гравитоны не имеют массы покоя. Следует отметить, что гравитон остается пока гипотетическим квантом гравитационного поля и экспериментально еще не обнаружен.

Электромагнитное поле создается электрическими зарядами и через него заряды взаимодействуют между собой.

Гравитационное поле создается гравитационной массой. Гравитационная масса, также как и электрический заряд, есть внутреннее свойство материи. Однако, в отличие от электрического заряда, которым обладают лишь некоторые элементарные частицы, гравитационной массой обладают все материальные объекты и все они создают вокруг себя гравитационные поля, за счет которых притягиваются друг к другу по закону всемирного тяготения. Именно за счет гравитационных сил удерживаются планеты на своих орбитах, вращаясь вокруг Солнца, а звезды удерживаются в галактиках, вращаясь вокруг галактического центра, и каждое яблоко падает вниз, притягиваясь к Земле ее гравитационным полем.

Вещество в отличие от поля имеет дискретную структуру и состоит из частиц, масса покоя которых не равна нулю – это молекулы, атомы, ионы, протоны, нейтроны, электроны и т.д. Вещество может находиться в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном. Все эти состояния и их взаимные переходы детально изучены и широко используются на практике. В последнее время наукой выявлены иные состояния вещества, из которых в частности состоят нейтронные звезды и черные дыры. Эти состояния сравнительно мало изучены. Известно лишь, что они имеют чрезвычайно большую плотность. Так 1 см³ вещества нейтронной звезды имеет массу тысячи тонн, для сравнения масса 1 см³ железа составляет всего лишь 7,8 грамма. Трудности изучения этих состояний вещества связаны с тем, что их практически невозможно воспроизвести в земных условиях.

В 20 веке начались активные поиски антивещества, которое по законам симметрии должно существовать в природе наряду с веществом.

Антивещество – это материя состоящая из античастиц. Ядра атомов антивещества построены из антипротонов (отрицательно заряженных) и антинейтронов (нейтральных), а вокруг ядра вращаются антиэлектроны (положительно заряженные), их называют позитроны. Столкновение частиц и античастиц приводит к их аннигиляции, в результате чего частицы и античастицы исчезают, а вместо них образуется жесткое электромагнитное излучение: кванты. Впервые о существовании античастиц узнали в 1928 году после решения Дираком релятивистского уравнения электрона, из которого следовало, что в природе наряду с электронами должны существовать их античастицы – позитроны. Позитрон имеет заряд и массу такой же величины, как электрон, только заряд у позитрона – положительный. В 1932 году позитрон был обнаружен в космических лучах, а затем на ускорителях элементарных частиц. Позднее были синтезированы другие античастицы: антипротоны, антинейтроны, антимезоны, антинейтрино и т.д. Как утверждает наука у каждой частицы по законам симметрии должна быть своя античастица. В последнее время на ускорителях были синтезированы даже атомы антивещества. Однако они оказались чрезвычайно нестабильными объектами и распадались через ничтожные доли секунды. Так что в заметных количествах антивещество пока не получено. Не обнаружено оно и в космических телах наблюдаемой части Вселенной. Все эти объекты состоят из обычного вещества, такого же, как наша Земля. Это позволило ученым сформулировать закон о барионной асимметрии Вселенной, в которой, пока по непонятным причинам, количество частиц вещества существенно преобладает над количеством античастиц.

Исследование свойств вещества земных и космических объектов позволило установить, что каждый атом, как химический элемент, остается неизменным независимо от того входит ли он в состав живых организмов или горных пород, находятся ли эти породы на планете Земля или в любом другом уголке Вселенной. Об этом свидетельствует спектральный состав света далеких и близких звезд, а также химический состав метеоритов, лунного грунта, планет и комет. Окружающий нас мир един в своем вещественном основании. Едиными остаются и физические процессы, происходящие в отдаленных друг от друга уголках космоса, и все они подчиняются одним и тем же фундаментальным законам, а в первую очередь законам сохранения. Законы сохранения носят универсальный характер. Они справедливы как в микромире, так в макро- и мегамире. Ни один процесс в природе не может произойти, если он нарушает хотя бы один из законов сохранения.

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 прежде всего 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, сохранивших свои свойства с момента рождения Вселенной до настоящего времени (время жизни протона больше времени существования Вселенной, с). Значимым проявлением единства материального мира является сохранение мировых констант, таких как постоянная Планка, гравитационная постоянная и др., которые при любых взаимодействиях остаются неизменными, а также исключительная «подогнанность» некоторых констант. Так, например, 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.