Тема 6. Структурные уровни организации материи

С физической точки зрения, в материальном мире можно выделить три структурных уровня: микро-, макро- и мегегамир, объекты которых различаются не только количественно (пространственными размерами, массой, энергией), но и качественно (свойствами, закономерностями, структурой). Однако резких границ, разделяющих эти структурные уровни, нет. Так, макромолекулы белков, нуклеиновых кислот принадлежат микромиру, поскольку это молекулы, но в то же время - это объекты макромира (по своим размерам, массе). Такое же пограничное положение между макро- и мегамиром занимают планеты и их системы (напр., Солнечная система).

Микромир (мир элементарных частиц, атомов и молекул) характеризуется четырьмя типами взаимодействий: сильным, электромагнитным, слабым и гравитационным. Эти взаимодействия имеют обменный характер и осуществляются элементарными частицами с целым спином (бозонами): глюонами, фотонами, промежуточными бозонами и гравитонами соответственно. Класс частиц, участвующих в сильных взаимодействиях, называемых адронами, состоит из двух групп: барионов и мезонов. Сильное взаимодействие связывает протоны и нейтроны (нуклоны) в атомном ядре и отвечает за его стабильность. Электромагнитное взаимодействие (кулоновские силы) обеспечивает стабильность атомов, молекул, кристаллов. В этом виде взаимодействия участвуют все частицы, имеющие электрический заряд. Слабое взаимодействие проявляется при распаде элементарных частиц, в ядерных реакциях с образованием электронов и др. Гравитационное взаимодействие присуще всем объектам, имеющим массу. В микромире его влияние ввиду малости масс ничтожно по сравнению с другими типами взаимодействий, зато в макро- и особенно в мегамире оно является определяющим: стабильность космических систем обусловлена гравитацией. Поскольку количество элементарных частиц составляет более 400, возникла необходимость в их классификации (по массе, типу взаимодействия). Установлено, что мезоны и барионы имеют внутреннюю структуру, т. е., строго говоря, не являются элементарными. Поэтому выделена группа истинно элементарных – фундаментальных – частиц, в которую включают 6 типов лептонов (электрон, нейтрино) и 6 типов кварков.

Объекты макромира – это агрегаты атомов и молекул, образующие многообразие природы Земли, выступающие, с физической точки зрения, как вещество в трех его агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном). Молекулярно-кинетическая теория вещества описывает строение и функции вещества, фазовые переходы его из одного состояния в другое. Определяющими условиями таких переходов являются температура и давление.

Элементами мегамира являются планетные системы, звездные ассоциации, галактики, метагалактики, Вселенная. Галактики по строению делятся на три класса: эллиптические, спиралевидные и неправильной формы. Именно в спиралевидных галактиках рождаются новые звезды из межзвездного вещества (в котором преобладает водород и пылевые частицы). Звезды делятся на семь спектральных классов, температура фотосферы которых изменяется в пределах от 35 000 град. (голубые звезды) до 3 000 град. (красные звезды). Солнце относится к классу желтых карликов – это класс очень стабильных звезд, время жизни которых может составлять несколько десятков миллиардов лет.

В истории астрономии было создано несколько космологических моделей Вселенной: геоцентрическая модель в античности, стационарная модель бесконечной Вселенной Ньютона, стационарная модель конечной Вселенной Эйнштейна, «стандартная» модель «горячей» Вселенной. Последняя модель основана на идеях «большого» взрыва, происшедшего около 13 млрд лет назад, и «разбегания» галактик. Сценарии дальнейшей эволюции Метагалактики: модель расширяющейся и модель пульсирующей Вселенной.