6. Структурные уровни и системная организация материи:

В неорганической природе можно выделить структурные уровни организации материи.

Микромир - физический вакуум – низшее энергетическое состояние квантового поля; элементарные частицы и их поля; нуклоны; атомы; молекулы.

Макромир (кристаллы, здания, океаны) - макроскопические тела в агрегатных состояниях (твердое, жидкое, газообразное, плазма).

Мегамир - планеты и планетные системы; звезды, туманности, звездные системы (галактики); системы галактик (Метагалактика); Вселенная.

Последовательность в иерархической структуре уровней живой материи (каждый предшествующий должен входить в последующий)

Множество объектов будет целостной системой, если энергия связи между ними больше их суммарной кинетической энергии совместно с энергией внешних воздействий, направленных на разрушение системы. С переходом от мегасистем к макросистемам, молекулам и атомам к гравитационным силам добавляются электромагнитные, намного более мощные чем первые. В атомных ядрах действуют еще более мощные ядерные силы. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы. Энергией обладают все виды материи вещество, поле, физический вакуум). Рассмотрим типы связи на каждом уровне организации материи

Нуклонный уровень. Нуклон – это ядро атома.

Атомный уровень.

Молекулярный уровень.

Космологические воззрения

Геоцентрическая система мира Птолемея – Аристотеля -

Эти системы мира были крайне наивны: плоская Земля, под которой находится подземный мир, а над ней возвышается небесный свод.

В наиболее четкой форме геоцентрическая система мира была разработана великим ученым древности Аристотелем (IV в. до н. э.). Его представления развил и завершил александрийский астроном К. Птолемей (II в. н. э.).

Согласно системе мира Птолемея, в центре Вселенной расположена Земля, окруженная более чем 50 прозрачными хрустальными сферами. Они имеют общий центр и управляют движением Луны, Меркурия, Венеры, Солнца, Марса, Юпитера, Сатурна и звезд. Для управления движением Солнца и Луны выделялось две (по одной на каждое светило) сферы с расположенными на них окружностями — деферентами, по которым и двигались Солнце и Луна.

Но для планет с их сложными движениями этого было недостаточно. Поэтому Птолемей считал, что по деференту движется не сама планета, а центр другой окружности несколько меньших размеров — так называемый эпицикл. По этому эпициклу движется центр следующего по порядку эпицикла и т. д. Планета же обращается лишь по самому последнему эпициклу. Внешняя сфера неподвижных звезд совершает полный оборот вокруг оси в течение суток и приводит в движение остальные сферы, обеспечивая тем самым видимую картину движения небесных светил.

С помощью эпициклов и деферентов удавалось довольно точно описать наблюдаемые движения планет и предвычислять положения небесных тел на будущее.

Геоцентрическая система мира Аристотеля—Птолемея находилась в согласии с религиозным вероучением о центральном месте Земли во Вселенной, и поэтому церковь в течение многих веков препятствовала развитию правильных научных представлений о строении мира. В систему Птолемея вносились небольшие изменения, но основной ее принцип оставался неизменным.

Гелиоцентрическая система мира Коперника -

Теория Коперника исходит из следующих требований:

1) Не существует единого центра для всех небесных орбит или сфер.

2) Центр Земли является не центром мира, а лишь центром тяготения и лунной орбиты.

3) Все сферы движутся вокруг солнца, как вокруг своего центра, вследствие чего Солнце является центром всего мира.

4) Отношения расстояния от Земли до Солнца к высоте небесной тверди (то есть к расстоянию до сферы неподвижных звёзд) меньше отношения радиуса Земли к расстоянию от неё до Солнца, причём, расстояние от Земли до Солнца ничтожно мало по сравнению с высотой небесной тверди.

5) Всякое движение, замеченное у небесной тверди, связано не с каким-либо движением самой тверди, а с движением Земли. Земля же вместе с окружающими её стихиями (воздухом и водой) совершает в течение суток полный оборот вокруг своих неизменных полюсов, в то время, как твердь небесная и расположенное на ней небо, остаются неподвижными.

6) То, что кажется нам движением Солнца, на самом деле связано с движениями Земли и нашей сферы, вместе с которой мы обращаемся вокруг Солнца, как всякая другая планета. Таким образом, Земля обладает более чем одним движением.

7) Кажущиеся прямые и попятные движения планет, обусловлены не их движениями, а движением Земли. Следовательно, одного лишь движения самой Земли достаточно для объяснения многих кажущихся неравномерностей на небе.

В этих семи тезисах чётко намечены контуры будущей гелиоцентрической системы, сущность которой заключается в том, что Земля одновременно движется и вокруг своей оси и вокруг Солнца.

Современная концепция

Модель Большого взрыва Гамова

Модель горячей вселенной (модель Большого взрыва) была предложена еще Дж. Гамовым в 1948 г. Он выдвинул концепцию «горячей» вселенной, в которой рассматриваются ядерные реакции, протекавшие когда-то в плотном веществе. Температура должна была быть высокой и затем падала по мере расширения вселенной. Он практически предсказал, что первоначальным веществом, из которого образовались позже галактики и звезды, состояло на 75% из водорода и 25% гелия. В последствие это нашло свое подтверждение в эксперименте по открытию реликтового фонового излучения почти через 15 лет. Он также предсказал наличие во вселенной слабого электромагнитного излучения, названное реликтовым, оставшимся от начальных этапов расширения. Позже модель Гамова была уточнена и оформилась в современную научную теорию, которая основана на современных достижениях астрономии, астрофизики, космохимии.

Универсальная (догалактическая) стадия модели Большого взрыва

Основное положение теории Большого Взрыва заключается в том, что около 13,7 млрд. лет назад она возникла из бесконечно малой области размером 10-33 см3, при плотности вещества в ней 1093 г/см3 с бесконечно большой температурой около 1032К. Это состояние называется сингулярностью.

Эмпирическое доказательство

Доказательствами того, что в истории Вселенной когда-либо мог быть Большой взрыв, физика не располагает. Есть несколько экспериментальных данных (красное смещение в спектрах удаленных галактик, так называемое реликтовое излучение и др.) В 1965 г. американские ученые А. Пензиас и Р. Вильсон нашли экспериментальное доказательство пребывания Вселенной в сверхплотном и горячем состоянии, т. е. реликтовое излучение. Оказалось, что космическое пространство заполнено электромагнитными волнами, являющимися посланцами той древней эпохи развития Вселенной, когда еще не было никаких звезд, галактик, туманностей. Реликтовое излучение пронизывает все пространство, все галактики, оно участвует в расширении Метагалактики. Реликтовое электромагнитное излучение находится в радиодиапазоне с длинами волн от 0,06 см до 60 см. Распределение энергии похоже на спектр абсолютно черного тела температурой 2,7 К. Плотность энергии реликтового излучения равна 4 • 10-13 эрг/см3, максимум излучения приходится на 1,1 мм. При этом само излучение имеет характер некоторого фона, ибо заполняет все пространство и совершенно изотропно. Оно является свидетелем начального состояния Вселенной.

Модель расширяющейся Вселенной

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения:

1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направления (изотропность);

2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, - релятивистская.

Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

Из принятия теории относительности вытекало в качестве следствия (первым это заметил петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман в 1922 году), что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься.

Экспериментальное подтверждение –

Открытие американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения».

Красное смещение - это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.

Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики - видимой части Вселенной.

Красное смещение надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении по меньшей мере нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.