ТБ - 2. Структурные уровни организации материи

(Современные концепции физики) Лекция 3. Макромир и микромир.

В мире – только атомы и пустота,

все остальное существует во мнении

(III век до н.э. Демокрит)

ПЛАН:

1. Классификация материальных систем

2. Уровни строения материи

3. Макромир – исторические концепции

1. Механическая картина мира

2. Электромагнитная картина мира

3. Современная квантово-полевая картина мира

3. Микромир – корпускулярная и континуальная концепции

   1. Принципы неопределенности и дополнительности

   2. Новые принципы в исследовании микромира

4. Элементарные частицы и кварковая модель строения атома

   1. Основные характеристики и классификация элементарных частиц

5. Типы фундаментальных взаимодействий

1. Классификация материальных систем

В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира (атом, планета, организм) может быть рассмотрен как сложное образование, вклю­чающее составные части, организованные в целостность. Для обозначения целост­ности объектов в науке было выработано понятие системы.

Система - представляет собой совокупность элементов и связей между ними.

Понятие «элемент» означает минимальный, далее уже неделимый компонент в рамках системы. Элемент является таковым лишь для данной системы, он сам мо­жет быть сложной системой.

В естественных науках выделяют два класса материальных систем: системы неживой и живой природы.

Материальные системы
Неживой природы	Живой природы
Элементарные частицы Атомы Молекулы Полимеры Поля Физический вакуум Макроскопические тела Планеты Звезды Галактики Системы галактик - метагалактики	Доклеточный уровень (нуклеиновые кислоты и белки) Клетки (одноклеточные организмы и элементарные единицы живого вещества) Многоклеточные организмы растительного и животного мира Надорганизменные структуры (включают виды, популяции и биоценозы) Биосфера

2. Уровни строения материи

В науке выделяют три уровня строения материи:

• Макромир - мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта пространственные величины выражают­ся в мл, см, км; а время - с, мин., ч, годах.

• Микромир - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространств. Размерность от 10^-8 до 10^-16см, а время жизни - от бесконечности до 10^-24с.

— Мегамир - мир огромных космических масштабов и скоростей, рас­стояние измеряются в световых годах, а время - миллионами и миллиарда­ми лет.

3. Макромир – исторические концепции

История науки свидетельствует, что естествознание, возникшее в ходе науч­ной революции XVI - XVII вв., было связано долгое время с развитием физики. Именно физика была и остается сегодня наиболее развитой и систематизированной естественной наукой. Таким образом, когда возникло мировоззрение европейской цивилизации Нового времени, складывалась классическая картина мира, естествен­ным было обращение к физике, её концепциям и аргументам, определившим эту картину. Поэтому, начиная разговор о конкретных достижениях естествозна­ния, мы начнем его с физики, с картины мира, созданной этой наукой.

Ключевым в физической картине мира служит понятие «материя», на которое выходят важнейшие проблемы физической науки. Смена физической картины мира связана со сменой представлений о материи. В истории физики это про­исходило дважды. Сначала был совершен переход от атомистических, корпус­кулярных представлений о материи к полевым - континуальным. Затем, в XX веке, континуальные представления были заменены современными кванто­выми. Поэтому можно говорить о трех последовательно сменявших друг друга фи­зических картинах макромира (КМ):

3.1. Механическая картина мира – складывается в результате научной революции XVI -XVII вв. на основе работ Г.Галилея и П. Гассенди. Основу механистической картины мира составил атомизм, который весь мир, включая человека, понимал как сово­купность огромного числа неделимых частиц - атомов, перемещающихся в про­странстве и времени. Ключевым понятием МКМ было понятие движения, именно законы движения Ньютон считал фундаментальными законами мироздания.

3.2. Электромагнитная картина мира – В процессе длительных размышлений о сущности электрических и магнитных явлений М.Фарадей пришел к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными, непрерывными. Движение понималось не только как простое механическое перемещение, пер­вичным по отношению к этой форме движения становилось распространение колебаний в поле, которое описывалось не законами механики, а законами электродинамики.

3.3. Современная квантово-полевая картина мира – В начале 20 в. возникли два не совмес­тимых представления о материи: 1) или она абсолютна непрерывна; 2) или состоит из дискретных частиц. В 1913 г. Н.Бор предложил свою модель атома. В 1924г. Луи де Бройль высказал гипотезу о соответствии каждой частице определенной волны. Иными словами, каждой частице материи присуще и свойства волны (непре­рывность) и дискретность (квантовость). Эти представления нашли подтвержде­ние в работах Э. Шредингера и В. Гейзенберга 1925 - 1927 гг., а вскоре М. Бор пока­зал тождественность волновой механики Шредингера и квантовой механике Гей­зенберга. Так сложились новые, квантово-полевые представления о материи, кото­рые определяются как корпускулярно-волновой дуализм - наличие у каждого элемента материи свойств волны и частицы.