Вопрос 22. Концепция материи и движения.

Наиболее общие и абстрактные понятия, идеи и концепции естествознания выражают, с одной стороны, глубокие, а с другой – общие свойства природы. Такими понятиями и концепциями оперирует в первую очередь физика как фундаментальная основа естествознания. К наиболее общим, важным, фундаментальным концептам физического описания природы относятся материя, движение.

Окружающий нас мир, все существующее вокруг нас и обнаруживаемое нами посредством ощущений представляет собой материю. Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая... отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них. Кто знает, может быть, данное определение не является исчерпывающим – это покажет дальнейшее развитие науки. В классическом представлении в естествознании различают два вида материи: вещество и поле. В современном представлении к ним следует добавить третий вид материи – физический вакуум.

Вещество – это любые материальные объекты, имеющие массу. Кроме массы может быть электрический заряд. Элементарные частицы (нейтрино имеют массу, 2002 год).

У вещества есть четыре агрегатных состояния:

Твердое

Жидкое

Газообразное

Плазма

Поле – особое состояние среды, в каждой точке которой заданы параметры, которые характеризуют состояние вещества и которые непрерывно и плавно меняются от точки к точке.

Поле является материальным фактором, который приводит к взаимодействию тел.

В макромире поле противоположно веществу (не имеет массы, непрерывно и т.п.).

В микромире нет раздельно поля и вещества, там присутствует корпускулярно-волновой дуализм.

Некоторые ученые в духе концепции корпускулярно-волнового дуализма объединяют вещество и поле в единый вид реальности, которая действует на наши органы чувств и взаимодействует сама с собой, проявляясь в одних условиях как вещество (физические тела, молекулы, атомы, частицы), а в других – как поле (свет, радиация, гравитация, радиоволны). Однако такое объединение в большей степени касается не макро-, а микромира, многие свойства которого носят квантово-механический характер.

Физический вакуум – самое низшее энергетическое состояние квантового поля. Среднее число частиц в вакууме равно нулю. Там существуют виртуальные частицы со временем жизни t£10-18 с. Вакуум «кипит» этими частицами, но они обладают низкой энергией.Одной из особенностей вакуума является наличие в нем полей с энергией, равной нулю и без реальных частиц. Это электромагнитное поле без фотонов, это пионное поле без пи-мезонов, электронно-позитронное поле без электронов и позитронов.

Но раз есть поле, то оно должно колебаться. Такие колебания в вакууме часто называют нулевыми потому, что там нет частиц. Удивительная вещь: колебания поля невозможны без движения частиц, но в данном случае колебания есть, а частиц нет! Как это можно объяснить? Физики считают, что при колебаниях рождаются и исчезают кванты. Колеблется электромагнитное поле – рождаются и пропадают фотоны, колеблется пионное поле – появляются и исчезают пи-мезоны и т.п. Физика сумела найти компромисс между присутствием и отсутствием частиц в вакууме. Компромисс такой: частицы рождаются при нулевых колебаниях, живут очень недолго и исчезают. Однако, получается, что частицы, рождаясь из «ничего» и приобретая при этом массу и энергию, нарушают тем самым неумолимый закон сохранения массы и энергии. Тут вся суть в том «сроке жизни», который отпущен частицам: он настолько краток, что «нарушене» законов можно лишь вычислить теоретически, но экспериментально это наблюдать нельзя. Родилась частица из «ничего» и тут же умерла. Например, время «жизни» мгновенного электрона, примерно, 10-21 секунды, а мгновенного нейтрона 10-24 секунды. Обычный же свободный нейтрон живет минуты, а в составе атомного ядра даже неопределенно долго, как и электрон, если его не трогать.

Поэтому частицы, живущие так мало, что этого в каждом конкретном случае и заметить нельзя, назвали, в отличие от обычных, реальных, - виртуальными. В точном переводе с латыни – возможными. Но считать, что данные частицы только возможны – неверно. Эти «возможные» частицы в вакууме вполне реально воздействуют, как это наблюдается в точных экспериментах, на вполне реальные образования из безусловно реальных частиц и даже на микроскопические тела. И если отдельную виртуальную частицу физика обнаружить не может, то суммарное их воздействие на обычные частицы фиксируется отлично.

Наблюдать воздействие вакуумных виртуальных частиц оказалось возможно не только в опытах, где изучаются взаимодействия элементарных частиц, но и в эксперименте с макротелами. Две пластины, помещенные в вакуум и приближенные друг к другу, под ударами виртуальных частиц начинают притягиваться. Этот факт открыт в 1965 году голландским теоретиком и экспериментатором Гендриком Казимиром.

По сути, абсолютно все реакции, все взаимодействия между реальными элементарными частицами происходят при непременном участии вакуумного виртуального фона, на который элементарные частицы, в свою очередь, тоже влияют.

Оказалось также, что виртуальные частицы возникают не только в вакууме. Их порождают и обычные частицы. Электроны, например, постоянно испускают и тут же поглощают виртуальные фотоны.

Физический вакуум проявляется только при достаточно большой энергии - виртуальные частицы начинают взаимодействовать с реальными частицами.

Современный тезис: Физический вакуум является основой Вселенной (1990-е гг.)

В классической механике Ньютона в качестве вещественных образований выступают материальная частица малых размеров – корпускула, часто называемая материальной точкой, и физическое тело, или просто тело как единая система корпускул, каким-то образом связанных между собой. Что касается проблемы делимости вещества или дилеммы «атомизм – безграничная делимость», то она в значительной степени решена физиками и химиками только в начале нашего столетия, когда было экспериментально подтверждено существование атомов и молекул – мельчайших частиц химического элемента и химических соединений.

Идеальными и предельно абстрактными физическими образами реально существующих частиц и тел в классической механике служат материальная точка и абсолютно твердое тело как система материальных точек.

Повседневный опыт показывает, что тела действуют друг на друга, порождая всевозможные изменения движения. Движение – это любое изменение, которое происходит с материальными объектами в результате их взаимодействий. Материя не существует без движения.

Движение – это необъемлемое свойство материи. Материя не существует без форменного состояния, она дискретна.

Состояние материального объекта характеризуется физическими величинами, или параметрами состояния: координаты, энергия, температура, масса, спин, энтропия, состав.

Переход от одного состояния к другому есть движение материи.

Виды движения:

1. Механическое

2. Колебательное и волновое

3. Тепловое

4. Процессы переноса (диффузия, теплопроводность)

5. Фазовые переходы

6. Радиоактивный распад

7. Химические и ядерные реакции

8. Эволюция живых организмов

9. Метаболизм

Взаимодействие тел в макромире происходит под действием силы тяготения или электромагнитных сил. В классической механике понятие силы считается фундаментальным. Сила – физическая мера взаимодействия тел и причина изменения их механического движения, т. е. их перемещения друг относительно друга.

Источником силы в соответствии с законом всемирного тяготения является масса тел. Таким образом, понятие массы, введенное впервые Ньютоном, более фундаментально, чем понятие силы.

Согласно квантовой теории поля частицы, обладающие массой, могут рождаться из физического вакуума, представляющего собой совокупность частиц с соответствующими им античастицами, при достаточно высокой концентрации энергии, которая тем самым выступает как еще более фундаментальная и общая концепция, чем масса, поскольку энергия присуща не только веществу, но и безмассовым полям.

Развитие физики в XIX в. показало, что источником другой разновидности сил, действующих в макромире, – электрических и магнитных – является электрический заряд, что хорошо подтверждается законом Кулона, формулой для силы Лоренца и уравнениями электромагнитной теории Максвелла. Хотя реальное существование электрического заряда доказано и теоретически, и экспериментально, многие вопросы, связанные с его происхождением, знаком, квантованностью и т. п., предстоит еще выяснить.

Возвращаясь к концепции массы, отметим, что в отличие от электрического заряда масса не квантируется. Однако, возможно, данное утверждение соответствует только современному представлению о микромире.

Масса выступает не только как мера гравитационного взаимодействия, но и как мера инертности тел, т. е. способности тел сопротивляться воздействию сил, стремящихся изменить состояние их движения, изменить их скорость. В этой связи часто говорят о массе тяжелой как мере гравитационного взаимодействия и о массе инертной как мере инертности.

Согласно закону Ньютона о противодействующих силах такое утверждение означает, что сила тяготения должна быть прямо пропорциональной не только массе притягиваемого тела m1 , но и массе притягивающего тела m2 , т. е. произведению масс обоих взаимодействующих тел. Если взаимодействующие тела принять за материальные точки, расположенные на расстоянии r друг от друга, то для силы гравитационного взаимодействия F можно написать:

Концепции современного естествознания

где G – гравитационная постоянная.

Данной формулой определяется закон всемирного тяготения, сформулированный Ньютоном.

Относительно точные измерения показывают, что массы тяжелая и инертная равны между собой. Этот факт, никак не объяснимый классической механикой, фигурирует в общей теории относительности, в которой понятие силы оказывается лишним – в поле тяготения тела движутся как бы «сами по себе» по кратчайшим путям – геодезическим линиям – в искривленном пространстве-времени. При этом поле тяготения и есть по существу искривленное физическое пространство, создаваемое массами вещества. В математическом смысле искривленность – это то, чем данное пространство отличается от хорошо нами представляемого Евклидова пространства.