Тема 3. Структурные уровни организации материи.

В основе современных научных представлений о строении материи лежит идея её сложной системной организации. Любой объект материального мира (например, атом, любое макротело, молекула, ядра некоторых атомов, кроме атома водорода - оно имеет простейшую структуру и состоит из одной частицы - протона; ядра более сложных атомов образованы путём взаимодействия протонов и нейтронов; протон и нейтрон также сложные образования - в них выделяют специфические элементы - кварки, которые взаимодействуют, обмениваясь другими частицами - глюонами, как бы склеивающими кварки. Протоны, нейтроны и другие частицы физика объединяет в группу адронов: они существуют благодаря кварк-глюонным взаимодействиям) может быть рассмотрен в качестве системы, т.е. особой целостности, которая характеризуется наличием элементов и связей между ними. Клетка также является сложной системой. Условием существования любой системы как целого является сохранение основных свойств и связей в процессе её взаимодействия со средой. Устойчивые связи и отношения между элементами образуют её структуру.

Любой объект материального мира уникален и нетождествен другому. Но при всей уникальности и непохожести объектов определённые их группы обладают общими признаками строения. Наличие общих признаков организации позволяет объединить различные объекты в классы материальных систем. Эти классы часто называют уровнями организации материи. Все уровни организации материи связаны между собой генетически, т.е. каждый из них развивается из другого. Поэтому строение материи можно представить как определённую иерархию этих уровней.

В структуре материального мира выделяют неживую материю, живую и социальный уровень её организации.

3.1. Уровни организации неживой природы.

Неживая материя представлена:

- элементарными частицами (они одновременно обладают и корпускулярными, и волновыми свойствами); кварки - главный строительный материал для нашего мира, т.к. ядра атомов существуют благодаря взаимодействию кварков, а формирование электронных оболочек вокруг ядра приводит к образованию атомов; необходимо отметить, что в закономерностях и особенностях развития и существования элементарного уровня организации материи вскрыты основные тайны происхождения нашей Вселенной. Она не является вечной и неизменной, а представляет собой результат развития материи, своеобразную реализацию тех потенциальных возможностей, которые были заложены в глубинах микромира.

- физический вакуум (необычный физический объект) - не пустота, а особое состояние материи, в котором происходит непрерывное появление и исчезновение элементарных частиц. Из элементарных частиц состоят

- атомы, которые являются качественно специфическим видом материи. Элементарные частицы, ядра атомов, ионы (атомы, потерявшие часть электронов на электронных оболочках) могут образовывать особое состояние материи, подобие газа, которое называется плазмой. Огромные плазменные тела, стянутые электромагнитными полями, образуют звёзды. В их недрах протекают ядерные реакции, в ходе которых одни частицы превращаются в другие, и за счёт этого звёзды постоянно излучают энергию. Звёзды выступают своеобразной кузницей атомов. Благодаря протекающим в них превращениям элементарных частиц образуются ядра атомов, а на периферии и в окрестностях звезд, при понижении температуры, а также в результате выбросов вещества из звезд при их взрывах, возникают атомы. В результате взаимодействия атомов формируется следующий уровень организации материи

- молекулы. За молекулами следует уровень

- макротел (жидкие, твердые, газообразные); к особому типу макротел относят

- планеты - макротела со сложной внутренней структурой, имеющие ядро, литосферу, а в ряде случаев атмосферу и гидросферу;

- планетные системы - звёзды и планеты;

Огромные скопления звёзд, планетных систем, межзвездной пыли и газа, взаимодействующих между собой, образуют особые объекты, которые называют

- галактиками. Земля принадлежит к одной из таких галактик, которая представляет собой гигантскую эллипсовидную спиралеобразную систему. Основная масса звезд, относящихся к нашей галактике, сосредоточена в диске размером 100 тыс. световых лет по диаметру и толщиной в 1500 световых лет (напомним, что скорость света около 300 тыс. км/с). Наше Солнце находится на окраине галактики и вращается вокруг её ядра, делая полный оборот за 200 млн. лет (так называемый галактический год). Ядро галактики, состоящее из очень плотного скопления звёзд, разогретого межзвездного газа и пыли, мы наблюдать не можем. Солнце движется в настоящее время в той части галактического пространства, где ядро закрыто от Земли обширной пылевой туманностью. Через несколько миллионов лет Земля выйдет из-за этого экрана, и тогда она будет подвержена излучениям, идущим от ядра.

Нам важно осознавать, что и земная жизнь, и человечество как её часть зависят от организации космоса. Поэтому знание принципов его организации столь необходимо для понимания и происхождения земной жизни, и наших взаимодействий с природой.

Галактики разных типов образуют скопления галактик.

- системы галактик, которые представляют собой особые объекты, обладающие свойствами целостности.

- метагалактика - система взаимодействующих скоплений галактик. При этом взаимодействуют они так, что удаляются друг от друга с очень большими скоростями. И чем дальше отстоят они друг от друга, тем больше скорость их взаимного разбегания. Этот процесс называется расширением Метагалактики и представляет её особое свойство, определяющее её бытие. Расширение Метагалактики началось с момента её возникновения. Согласно представлениям современной космологии, метагалактика возникла примерно 20 млрд. лет назад в результате Большого Взрыва. Сам этот взрыв наука связывает с перестройками структуры физического вакуума, с его фазовыми переходами от одного состояния к другому, которые сопровождались выделением огромных энергий. Так что рождение нашей Вселенной - не акт её творения из ничего, а результат развития, качественных преобразований одного состояния материи в другое.

Классификация неорганического типа материи даёт возможность вычленить в ней три структурных уровня:

1) мегамир - мир космоса (планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики и неограниченные масштабы до 10 в 28-й степени см);

2) макромир - мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин (а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов, т.е. макроскопические тела от 10 в минус 6 степени до 10 в 7-ой степени см.);

3) микромир - мир атомов и элементарных частиц, где неприменим принцип «состоит из» (область порядка 10 в минус 15 см.).

Микромир описывается законами квантовой механики, в макромире действуют законы классической механики, мегамир связан с законами теории относительности и релятивистской космологии.