Концепция материи

Лекция 3: «Материя. Принципы организации материи»

Представления о материи, понимание ее роли во Вселенной и существования разумной жизни, в частности, человеческого общества, являются базовыми понятиями предмета «Концепции современного естествознания», необходимыми для системного изложения курса.

Материя – философская категория, отражающая объективную реальность структурности всех, без исключения, физических тел и процессов во Вселенной.

Отметим, что Вселенная является единственным объектом, представляющим собой совокупность абсолютно всех проявлений материи.

Объединенные и систематизированные знания о Вселенной составляют основу учения о глобальном единстве материального мира (космологии). Сходство известных человечеству процессов и явлений в различных участках космического пространства свидетельствует об универсальности наших научных знаний о Вселенной (космологический принцип), а открытые нами на Земле законы существования материального мира носят всеобщий характер.

Принципы организации материи представляют собой основные закономерности совместного функционирования ее структурных элементов. Рассмотрим наиболее важные для изучения естествознания.

Прежде всего, это Принцип единства материального мира, отражающий целостность его строения, всеобщую взаимосвязь его структурных элементов.

Так, взаимосвязаны все, без исключения, структурные элементы Вселенной (галактики, звездные системы, небесные тела): взаимозависимо движение планет вокруг Солнца, поведение человека в экосистеме и социуме, движение электронов в атоме. Примеров бесконечное множество.

Единство между различными уровнями организации материи выражает Принцип иерархичности, состоящий в преемственности структуры Вселенной, при которой меньшие системы входят, как составляющие элементы, в более крупные.

Например, электрон, протон, нейтрон формируют структуру атома, атомы создают молекулы, атомы и молекулы объединяются в макрообъекты живой и неживой Природы: материки, океаны, горные массивы, различные продукты цивилизации.

Принцип иерархичности позволяет предсказывать многие характеристики формирующих компонентов по результатам исследования системы в целом и наоборот, зная особенности строения элементов, судят о состоянии системы в целом.

Принцип перехода количественных изменений в качественные состоит в том, что изменение числа структурных элементов объекта ведет к его качественному изменению (потере или приобретению определенных свойств).

Например, молекула белка обладает молекулярной массой, исчисляемой сотнями тысяч атомных единиц массы и состоит из большого количества атомов различных химических элементов. Небольшое изменение ее элементарного состава ведет к появлению белковых молекул иного типа и функций.

Одна коралловая клетка мало жизнеспособна, но их колония - сообщество одноклеточных организмов для совместной защиты и питания активный и устойчивый участник экосистемы.

Отдельные насекомые, например, майский жук, ограничены в выборе способов питания, защиты, места обитания. Колониальные насекомые муравьи создают гораздо более жизнестойкую, активную самостоятельную структуру. Эти примеры иллюстрируют качественные изменения системы при увеличении количества ее элементов.

Принцип развития (эволюционности) состоит в способности материальной структуры развиваться (самоорганизовываться) под действием изменяющихся факторов внешней среды.

Эволюционные процессы свойственны материальным структурам живой и не живой природы. Возникновение современных покрытосеменных растений, птиц, млекопитающих, появление человека примеры эволюции растительного и животного мира. Структурные и геометрические изменения мегамира: расширение Вселенной, формирование и разрушение галактик, звездных систем, динамические процессы, происходящие на звездах или планетах; явления в микромире: возникновение элементарных частиц, атомов, молекул; образование объектов макромира: гор, плато, озер, рек отражает эволюционность процессов в не живой природе.

Эволюционные процессы связаны с объективными тенденциями к установлению материального равновесия между системой и средой проходящими через неравновесность на разных уровнях структурной организации Вселенной. Например, гибель звезды (вспышка сверхновой), как неравновесного объекта означает одновременное возникновение нового, более равновесного комического тела; разрушение, оказавшегося в неравновесных условиях атома, означает возникновение новых, более равновесных, в данных условиях, микрочастиц.

Принцип обусловленности высших форм движения материи низшими по сути своей эволюционный и означает их структурную преемственность. Низшие формы, такие как механическая, физическая, химическая структурно обуславливают более совершенные биологическую и социальную.

Например, элементарными формами функционирования молекулы ДНК являются механическая (перемещение молекулы и ее участков во внешней среде), физическая (взаимодействие частиц на уровне энергетических полей), химическая (взаимопревращение молекул). Но их синтез приводит к возникновению весьма совершенной биологической формы движения материи, приводящей к возникновению организмов живой природы, в свою очередь, создающих еще более совершенную, социальную форму движения материи.

Принцип несводимости высших форм движения материи к низшим подчеркивает их качественное отличие, состоящее в усложнении структурной организации.

Сложность высших типов движения определяется системностью объединения более простых процессов в качественно новый, обладающий дополнительными свойствами. Но это не означает, что высшие формы движения материи, возможно, свести к группе низших. Например, биологическую форму движения молекулы ДНК нельзя свести к более примитивному механическому, физическому или химическому движению.

Закон сохранения материи говорит о том, что материя никуда не исчезает и не появляется из ничего, а лишь преобразуется из одного вида в другой.

Этот принцип распространяется на все виды материи, о которых будет сказано ниже. В самом деле, горение полена, одновременно, обуславливает появление золы, углекислого газа, паров воды, испускающих энергию микрочастиц целлюлозы, формирующих собственно "язык пламени". Процесс ржавления железа означает одновременно разрушение кристалла железа и возникновение микрокристаллов оксида железа.

Закон сохранения материи стал основой для многочисленных вариантов законов сохранения, с которыми вы познакомитесь ниже. Исключения из этого закона человечеству не известны.

Принцип минимума энергии (оптимальных энергозатрат) состоит в том, что все структурные элементы материи используют минимально необходимое количество энергии для создания предельно эффективных, в данной внешней среде, условий своего существования и участия в процессах. Действительно, частицы материи, какого бы размера они не были, расходуют только то, минимальное количество энергии, которое нужно для их нормального функционирования в данных условиях во Вселенной.

Например, в микромире: форма орбиты электрона в атоме определяется равнодействующей величины энергии ядра и структурой соответствующего электронного уровня. Собственные затраты энергии электрона в данных условиях близки к нулю, т.е. частица при движении по орбите практически не тратит энергии, что соответствует принципу минимума энергии.

В макромире, катящееся колесо обладает такой способностью только благодаря своей круглой форме. При этом, энергетические затраты сведены к минимуму. Для колеса квадратной формы движение требовало бы дополнительной энергии, т.е. стало бы энергетически не выгодным в нормальных условиях.

Всеобщность принципа минимума энергии подтверждена многочисленными экспериментами в различных научных областях. Ни одного исключения за все время научных исследований найдено не было.

Закон сохранения энергии состоит в том, что энергия никуда не исчезает и не пропадает, а только преобразуется из одного вида в другой.

Принцип объективной реальности существования материи, означающий независимость ее существования от уровня нашего сознания, способности к восприятию ее объектов и явлений.

Действительно, материя существует сама по себе, вне зависимости от нашего сознания и понимания проходящих в ней процессов. Наше незнание, каких – либо особенностей организации материального мира ни в коей мере не изменяет его строения или свойств. Так, Луна – естественный спутник Земли независимо от наших знаний о ней. Это объективная реальность. Солнце – звезда, образующая нашу звездную систему. И это тоже объективная реальность. Существование различных звездных систем, созвездий, галактик не зависит от нашего знания о них или понимания их функциональных механизмов.

Возможность нашего восприятия объективной реальности, применения для познания Природы экспериментальных и расчетных методов исследования обусловлена существованием Принципа познаваемости, материального мира, говорящего о бесконечной возможности получения новых знаний о нем и их применении человечеством на различных этапах развития цивилизации.

Принцип субъективности получаемой нами информации о материальном мире определяется вечной ограниченностью наших возможностей для его восприятия во всей сложности и многообразии. Расширяя научную базу познания за счет повышения чувствительности методов исследования, увеличения диапазона их возможностей мы идем по пути бесконечной объективизации научных знаний о материальном мире.

Принцип достоверности наших знаний означает стремление науки получать максимально точные научные данные. Но достоверность не может быть абсолютной. Ее степень определяется уровнем развития техники, применяемыми инструментами познания, разносторонностью подходов к изучаемым объектам. Чем современнее теории, экспериментальное оборудование и разностороннее подход, тем достовернее и объективнее наши знания о материальном мире.

Проблему достоверности призван решать Принцип дополнительности Н. Бора (1885 - 1962), согласно которому состояние объекта или течение процесса наиболее полно может быть описано бесконечным количеством независимых (дополнительных) характеристических параметров раскрывающих различные стороны его состояния или функционирования, но не связанных друг с другом общими математическими выражениями, одновременно не определяемых одним и тем же инструментальным методом.

Например, характеристика частицы связана с необходимостью определения ее координаты и импульса. Одновременное измерение этих дополнительных (математически независимых) величин одним и тем же инструментальным методом невозможно. Но, получив их различными эмпирическими путями, мы создаем обобщенную характеристику избранного объекта взаимно дополняющими параметрами.

Элементарные частицы, атомы, молекулы невозможно увидеть не вооруженным глазом, но объективность их существования подтверждена многочисленными независимыми инструментальными исследованиями.

Важнейшим положением концепции материи стал разработанный великим французским математиком Пьером Лапласом (1749 – 1827) Принцип причинности (детерминизма), состоящий в том, что если известны выраженные произвольным способом характеристические параметры начального состояния материальных объектов (структурных элементов) и законы их преобразования в данных условиях (причина), то возможно предсказание результатов этого преобразования в последующий момент времени (следствие).

Значит, создав равные природным, начальные условия и прилагая равные внешние силы, ученые всегда могут повторить любое явление природы.

Так, строение и характер перемещения звездной системы в зоне действия черной дыры позволяют предсказать возможность и сроки ее гибели. Знание скорости и принципов движения атома в гигантском ускорителе позволяет предсказать степень его будущих структурных изменений. Совмещение двигателя определенной мощности и ходовой части заданной массы позволяет предсказать скоростные качества автомобиля.