49

Глава 2 ТЕОРИИ О СТРОЕНИИ МАТЕРИИ

Развитие теории о строении материи (механистическая, электромагнитная, электронная (атомно-молекулярная), физическая (квантово-полевая). Структурная организация микромира. Частицы и античастицы. Законы сохранения и взаимопревращения различных видов энергии друг в друга. Основные законы и принципы квантовой физики. Законы сохранения энергии в макроскопических процессах. Корпускулярная и континуальная концепции описания строения материи. Принципы возрастания энтропии. Термодинамические законы. Химические процессы. Реакционная способность веществ.

Под естественнонаучной картиной мира понимают систему важнейших принципов и законов, лежащих в основе существования материи. В формировании такой картины наиболее важное значение приобретают концепции и теории естествознания, возникшие на различных этапах ее развития. Левкипп и Демокрит в V – IV веке до н.э. разработали атомическую теорию строения материи, согласно которой весь мир состоит их реальных и неделимых частиц (атомов), а Гераклит заложил основы диалектики (эволюционного развития материи).

С VI до н.в. по XIV век н. в. господствовала натурфилософская картина мира. Характеризуя натурфилософию, Ф.Энгельс писал, что она «…заменяла неизвестные связи между явлениями идеальными, фантастическими вымыслами, при этом ею были высказаны многочисленные мысли и предугаданы многие позднейшие открытия, но немало было наговорено нелепостей и вздора». Наиболее ярко натурфилософия была представлена в трудах античных ученых Фалеса, Эмпедокла, Аристотеля, Птоломея. Их учения в основном строились на догадках и произвольных логических построениях. Развитие научного познания (XIV – XVII веках н. в.) сделало натурфилософию излишней. В настоящее время натурфилософия сохранилась как составная часть некоторых реакционных идеалистических систем. Идеализм завел натурфилософию в тупик агностицизма и полностью подчинил ее религии.

В XVII – XIX веках вместо натурфилософской картины мира утвердилась механистическая. Все явления в мире трактовались законами механики Галилея – Ньютона. Законы механики были в основе установления других закономерностей в природных процессах. Согласно механистической теории господствующее положение в науке занял односторонний анализ, разделивший мир на группы обособленных и неизменных явлений. В XIX веке в рамках механистической картины мира сложилась термодинамическая картина мира, основанная на молекулярнокинетической концепции и вероятностно-статистических законах.

50

Окончательное крушение механистической картины мира вызвала теория электромагнитного поля, созданная М. Фарадеем и Дж. К. Максвеллом во 2-й половине XIX века. До Максвелла физическая реальность мыслилась в виде материальных точек, после него физическая реальность предстала в виде непрерывных электромагнитных полей, не поддающихся механистическому объяснению.

Наступила эра принципиально новой физической картины мира, которая в XX веке трансформировалась в релятивистскую или квантовополевую.

Механистическая теория

(атомно-молекулярная)

Физическая (квантово-полевая)

Рис. 2.1 Общий вид развития теории строения материи

Одновременно научная картина мира развивалась по отдельным отраслям естественных наук: физики, химии, астрономии, географии, геологии и биологии. Каждое направление при этом использовало информационную базу данных, накопленных предшественниками, и системный анализ обработки информации. В результате формировались теории, раскрывающие картину мира в разных аспектах (рис. 2.1).

2.1. Механистическая теория

Теоретической основой построения механистической картины мира является установление законов механического движения в XV – XVII веках.

К этому времени (в 1532г.) Николаем Коперником была разработана гелиоцентрическая теория движения планет солнечной системы. Галилео

51

Галилей (1565 – 1642) установил законы движения свободно падающих тел и сформулировал механический принцип относительности.

Иоганн Кеплер (1571 – 1630), используя результаты многолетних наблюдений датского ученого Тихо Браге за движением планеты Марс вокруг Солнца, установил, что его траектория, как и траектория других планет, является не окружностью, а эллипсом.

Открытие законов движения планет Кеплером имело неоценимое значение для развития естествознания. Оно свидетельствовало о том, что между движением земных и небесных тел не существует непреодолимой пропасти, поскольку они подчиняются определенным естественным законам. Во-вторых, сам путь открытия законов движения небесных тел в принципе не отличается от открытия законов земных тел. Поэтому картину мира в 16-17 столетиях ученые рассматривали на основе законов классической механики. Эти исследования производись в двух направлениях:

1.Обобщение накопленной информации относительности законов движения планет (теории Н. Коперника, законов движения свободно падающих тел Г. Галилея и законов движения планет И. Кеплера);

2.Создание методов количественного анализа механического движения тел (законы механического движения и всемирного тяготения И.Ньютона).

И. Ньютон был сторонником идеалистического направления в естествознании. Он писал: «Мне представляется вероятностным, что бог вначале создал материю в виде твердых крупных, прочных непроницаемых

ив то же время подвижных частиц. Перед нами стоит задача установить закономерности их движения». И. Ньютон (1642-1727) создал вариант дифференциального и интегрального исчисления непосредственно для решения основных проблем механики: определения мгновенной скорости как производной от пути по времени движения и ускорения, как производного от скорости по времени. А также второй производной от пути по времени. Зная координаты и скорость движения тела в некоторый момент времени, по уравнению движения тела можно точно определить его состояние в любой момент времени. Благодаря этому ему удалось сформулировать основные законы динамики и закон всемирного тяготения.

В настоящее время количественный подход к описанию движения кажется чем-то само собой разумеющимся, но в XVIII веке это было крупнейшим завоеванием научной мысли.

Основные положения теории «механистической картины мира»:

1.Все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковыми, поскольку время считается обратимым.

52

Зная координаты и скорость движения тела в некоторый момент времени, по уравнению мы можем точно определить его состояние в любой другой момент времени в будущем или прошедшем.

2.Все механические процессы подчиняются принципу строгого или жесткого детерминизма, суть которого состоит в признании возможностей точного и однозначного определения состояния механической системы его предыдущего состояния.

3.Пространство и время никак не связаны с движением тел, они имеют абсолютный характер.

4.Сближение закономерностей более высоких форм движения материи к законам простейших форм движения материи, т.е.

механическому движению.

5.Действие и сигналы могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью.

В XVI – XVII веках господствующее положение в познании механистической картины мира занимала метафизика, разделившая мир на группу обособленных и неизменных по себе тел и явлений. В XVIII веке эта теория встретила критику со стороны материалистов – астрофизиков, геологов, биологов, медиков и некоторых химиков. Все перечисленные особенности теории предопределяли ограниченность механистической картины мира, которые преодолевались в ходе последующего развития естествознания.

В конце 19 и начале 20 столетия рождение и развитие атомной физики окончательно разрушило механистическую картину мира.

2.2. Электромагнитная теория

Электрические магнитные явления были известны еще в XVII веке, но изучались обособленно друг от друга. Дальнейшее их исследование показало, что между ними существует глубокая взаимная связь. Это заставило ученых искать эту связь и создать единую «электромагнитную теорию».

Датский ученый Ханс Кристиан Эрстед (1777 – 1851), поместив над проводником, по которому шел электрический ток, магнитную стрелку, обнаружил, что она отклоняется от первоначального положения. Это привело ученого к мысли, что электрический ток создает магнитное поле.

Позднее английский физик Майкл Фарадей (1791-1867), вращая замкнутый контур в магнитном поле, открыл, что в нем возникает электрический ток.

На основе опытов Фарадея и других ученых английский физик Д.К.Максвелл (1831-1879) создал электромагнитную теорию. Он обосновал существование электромагнитных волн, распространяющихся

53

со скоростью света. Это дало возможность ему раскрыть связь электрических и оптических свойств веществ. Основная идея об электромагнитной природе света была им высказана в 1865 г.

Предсказанное Дж. Максвеллом существование электромагнитных волн было подтверждено немецким физиком Г. Герцем в 1888 г. В 1895 г. русский физик П.Н. Лебедев измерил давление света, а изобретатель радио русский ученый А.С. Попов в 1895 г. впервые применил электромагнитные волны для передачи сигналов без проводов. Теория Максвелла не сразу была понята физиками. Большую роль в укреплении и развитии ее сыграли русские физики А.Г. Столетов, П.Н. Лебедев, А.С. Попов и др.

Таким образом, основное положение электромагнитной теории сводилось к тому, что материальные тела связаны между собой физическими полями.

Одно из них было известно и во времена Ньютона. И теперь называется гравитационными полем, а раньше рассматривалось как сила притяжения, возникающая между материальными телами. После того как объектом изучения физиков наряду с веществом стали разнообразные поля (электромагнитное, гравитационное, поле ядерных сил, квантовое поле), картина мира приобрела более сложный характер.

2.3. Электронная (атомно-молекулярная) теория

Ведущей идеей атомно-молекулярного учения, составляющего фундамент современной физики, химии и естествознания, является идея дискретности (прерывности строения) вещества. Вещество не заполняет целиком занимаемое им пространство, оно состоит из отдельных находящихся на очень малом расстоянии друг от друга частиц, называемых молекулами. Каждая молекула, в свою очередь, состоит из еще более мелких частиц - атомов. Число видов молекул исчисляется количеством возможных соединений (порядка миллиона), число атомов равно числу химических элементов (С.И. Самыгин, 1997).

Атомы разных наименований веществ различаются атомной массой. При обычных условиях атомы отдельно существовать не могут. Ввиду их способности соединяться, одноименные атомы образуют молекулы элементов, а разноименные - молекулы соединений. Атомы элементов не меняются в результате химического процесса. Молекулы при любой химической реакции - изменяются.

С открытием радиоактивности в самом конце XIX века представление о неделимости атома изменилось. Было доказано, что атомы веществ имеют сложное строение и что все химические изменения вызываются преимущественно действием электрических сил. Атомы всех элементов являются системами, образующимися из так называемых элементарных

54

частиц - протонов, электронов, нейтронов. Атомы одного и того же элемента имеют ядро, содержащее одинаковое число протонов. Атомы разных элементов различаются между собой числом протонов и их расположением.

Согласно электронной теории строения вещества атом любого элемента состоит из электрически положительно заряженного атомного ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Вокруг ядра подобно планетам Солнечной системы обращаются электроотрицательно заряженные электроны («электронная оболочка»), которые по сравнению с ядром почти не имеют массы. Атом в целом является электрически нейтральным - заряд ядра атома равен заряду электронной оболочки, т.е. число электронов оболочки равно числу протонов ядра атома. Электроны вращаются вокруг ядра атома по определенным энергетически уравновешенным орбитам.

Исследование радиоактивности химических элементов привело к открытию изотопов. С современной точки зрения, изотопы – это разновидности атомов одного и того же химического элемента: у них разная атомная масса, но одинаковый заряд ядра. Ядра таких элементов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов и занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Изотопы применяют в ядерной технике как конструкционный материал, в качестве ядерного горючего, в термоядерном синтезе. Радиоактивные изотопы широко используются в качестве источников излучения, в технике меченых атомов и т.д.

Учение о строении атома сыграло и играет колоссальную роль в химии и физике XX века. На основе атомной модели вскрыты глубинные принципы периодического изменения свойств химических элементов и развита теория периодической системы Д.И. Менделеева. Решающее значение здесь имело установление закономерностей формирования электронных конфигураций (оболочек) по мере роста заряда атомного ядра. Другой важной количественной характеристикой атома является его масса. Атомная масса - относительная величина. В качестве единицы атомной массы используют 1/12 часть массы природного углерода. Третьей важной количественной характеристикой является радиус орбит электронов от ядра до максимальной плотности электронов на отдельных орбитах атома. Все эти характеристики являются основой теоретических и практических расчетов в химии.

Многообразие и единство элементарных частиц Сейчас известно примерно 400 элементарных частиц (табл. 2.3.1).

Некоторые из них «живут» очень короткое время, быстро превращаясь в другие частицы, успевая за время своего существования пролетать расстояния, равные радиусу атомного ядра (10-12 - 10-13 см). Минимальное

55

время, доступное экспериментальному измерению, характеризуется величиной примерно 10 –26 с. Некоторые элементарные частицы оказались неожиданно тяжелыми – даже тяжелее отдельных атомов (Солопов, 1998).

Современные физики уделяют много внимания систематизации элементарных частиц, раскрытию внутреннего единства, как между ними, так и между соответствующими им фундаментальными видами взаимодействия – сильным, слабым, электромагнитным и гравитационным.

Интенсивность слабого взаимодействия на 10-11 порядков (в 1010 - 1011 раз) меньше интенсивности ядерных сил. Поэтому его и назвали слабым, радиус его действия менее 10-15 см. Электромагнитное же взаимодействие на расстояниях, соизмеримых с радиусом действия ядерных сил, слабее их лишь в 100-1000 раз. Самым же слабым на этих расстояниях оказывается гравитационное взаимодействие, интенсивность которого намного порядков ниже слабого взаимодействия.

Даже слабое взаимодействие намного порядков превышает гравитационное взаимодействие. А сила кулоновского, электрического отталкивания двух электронов в 1042 раз больше величины их гравитационного притяжения. Если представить, что электромагнитные силы, «притягивающие» электроны к атомному ядру, ослабеют до уровня гравитационных, то атом водорода стал бы больше видимой нами части Вселенной.

Гравитационные силы при уменьшении расстояний возрастают очень медленно. Преобладающими они становятся лишь в фантастически малых интервалах меньше 10-32 см, которые остаются пока еще недоступными для экспериментального исследования. С помощью эксперимента сейчас удается «просматривать» расстояния, близкие к 10-16 см.

Указанные четыре вида фундаментальных (лежащих в самом фундаменте материи) взаимодействий осуществляются путем обмена соответствующими частицами, служащими своеобразными переносчиками этих взаимодействий. От массы частиц зависит радиус действия сил. Электромагнитное взаимодействие переносят фотоны (масса покоя равна нулю), гравитационное - гравитоны (пока гипотетические, экспериментально не установленные частицы, масса которых тоже должна быть нулевой). Эти два взаимодействия, переносимые безмассовыми частицами, имеют большой, возможно бесконечный радиус действия. Причем только гравитационное взаимодействие порождает притяжение между одинаковыми частицами, остальные три вида взаимодействий обусловливают отталкивание одноименных частиц. Переносчиками сильного взаимодействия, связывающего протоны и нейтроны в атомных ядрах, являются глюоны. Это взаимодействие свойственно тяжелым частицам, получившим название адронов. Слабое взаимодействие переносят векторные бозоны. Это взаимодействие свойственно легким частицам - лептонам (электронам, позитронам и т.п.).

56

Внастоящее время разработка проблемы систематизации элементарных частиц связана с идеей существования кварков - частиц с дробным электрическим зарядом. Сейчас их считают «самьми элементарными» в том смысле, что из них могут быть «построены» все сильно взаимодействующие частицы - адроны. С позиции теории кварков уровень элементарных частиц - это область объектов, состоящих из кварков и антикварков. При этом, хотя последние и считаются на данном уровне познания простейшими, самыми элементарными из известных частиц, сами они обладают сложными свойствами - зарядом, «очарованием» («шармом»), «цветом» и другими необычными квантовофизическими свойствами. Как в химии не обойтись без понятий «атом» и «молекула», так и физика элементарных частиц не может обойтись без понятия «кварк».

Таким образом, список адронов – тяжелых частиц, характеризующихся сильным взаимодействием - состоит из трех частицам: кварка, антикварка и связывающего их глюона. Наряду с ними существуют около десяти легких частиц - пептонов (электроны, позитроны, нейтрино и т.п.),

–которым соответствует слабое взаимодействие. Известен также фотон – носитель электромагнитного взаимодействия.

Многообразие микромира (табл. 4.3.1) предполагает его единство через взаимопревращаемость частиц и полей. Особенно важно превращение «пары» – частицы и античастицы – в частицы другого «сорта». Первым было открыто превращение электрона и позитрона в кванты электромагнитного поля – фотоны и обратный процесс «порождения» электрона и позитрона из фотонов, обладающих достаточно большой энергией.

В1871 году Д.И.Менделеев дал классическую формулировку своего периодического закона. Свойства элементов, образуемых ими простых и сложных тел, состоят в периодической зависимости от их атомного веса.

Изучение радиоактивных элементов дало возможность найти ответ: что же является основой периодического закона. После того как было доказано, что заряд атома численно равен порядковому номеру, соответствующего элемента в периодической системе, закон Менделеева получил физическое обоснование, т.к. химические свойства элемента находятся в зависимости от заряда ядер их атома.

Ядро атомов состоит из положительно заряженных протонов, и не имеющих заряда нейтронов. Число электронов атомов равно числу протонов в ядре. Это и есть атомный номер химического элемента, его порядковый номер в периодической системе Менделеева.

Вместе с тем, следует отметить, что значение атомной массы нисколько не уменьшилось, а возросло, особенно с точки зрения практики. Масса атома в настоящее время стала основной величиной для всех расчетов ядерной энергетики и ядерной химии.

57

Сходство элементов определяется одинаковым строением наружного слоя электронной оболочки атома. Масса атома сосредоточена в ядре. Движущейся вокруг атомного ядра электрон порождает магнитное поле. Магнитное поле различных электронов, складываясь, образуют магнитное поле атома.

Периодический закон Менделеева воплотил в себе многообразие бесконечного множества химических процессов и превращений в иерархии природных систем.

Таблица 2.3.1 Стабильные по сильному взаимодействию частицы

58

Вывод из этого закона один: все химические и физические свойства вещества определяются строением атома:

-радиоактивность зависит от природы и строения атомного ядра; -оптические свойства элементов – от строения электронной оболочки

атома, совокупности всех его элементов.

Таким образом, периодический закон является всеобщим законом природы.

2.4.Физическая (квантово-полевая) теория

Вконце 19 и начале 20 столетия в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили представления о картине мира. Эти открытия связаны со строением вещества и взаимосвязи вещества и энергии. В конце прошлого столетия были открыты электроны, входящие в состав атомов. Изучено строение ядра атомов, состоящее из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишенных заряда). Первым ученым, который это доказал, был советский физик Д.Д. Иваненко (1932 г.). Модель строение атома английского ученого Э.Резерфорда (1871–1937) была усовершенствована датским физиком Нильсом Бором (1885–1962), который предположил, что при вращении электронов по стационарным орбитам, электроны не излучают энергию. Энергия излучается ими или поглощается в виде кванта только при переходе электрона с одной орбиты на другую.

Одновременно с Н. Бором теорию деления атомных ядер разработал в 1939 г. известный советский физик Я.И. Френкель. Вслед за этим ученики Семенова, основателя советской школы, Я.Б. Зельдович, Ю.Б. Харитон исследуя цепные реакции рассчитали условия, необходимые для осуществления цепного процесса в ядре урана. Дело в том, что в ядрах урана много одноименно заряженных протонов, они находятся на грани неустойчивости. Под влиянием этой неустойчивости то одно, то другое ядро урана само делится на осколки, при этом возникают свободные нейтроны, способные вызвать цепной процесс при соответствующих

59

условиях. Работы советских физиков В.И. Векслера и Г.И. Будкера позволили создать мощные ускорители заряженных частиц до 1000 Гэв типа фазотрона, синхрона, синхротрона и синхрофахотрона.

В1940 г. ученики И.В. Курчатова Г.Н. Флеров и К.А. Петржак произвели серию очень точных исследований, доказавших наличие самопроизвольного деления ядер урана. В 1963 г. группа геофизиков атомщиков под руководством Г.Н. Флерова получила изотопы элементов

102, 103, 104, 105.

В30-е годы 20 столетия было сделано другое важное открытие, которое показало, что элементарные частицы вещества, например электроны, обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Был сделан вывод, что между веществом и полем не существует резких границ. Де Бройль в 1924 г. установил соотношение между частотой и энергией (волны и частицы). Он полагал, что частицы, и

вчастности электроны, должны обладать некоторыми волновыми характеристиками. В атомных явлениях электрон не подчиняется законам классической механики. Каждое электромагнитное излучение с любой длиной волны и каждая частица вещества с любой массой имеют двойные качества (волновые и корпускулярные).

В1934 г. И.Е. Таммом и Д.Д. Иваненко впервые была объяснена природа ядерных сил и составлены их основные характеристики. Они первые доказали, что силы могут быть не только обменными, согласно которым взаимодействие двух заряженных частиц осуществляется посредством квантов, испускаемых и поглощаемых этими частицами. Они пришли к выводу, что электромагнитное поле возникает в результате взаимодействия промежуточных частиц. Нейтрон, испустив отрицательный электрон, становится протоном, а протон, поглотив отрицательный электрон, становится нейтроном.

Таким образом, был установлен закон, что материя из ничего не возникает и не исчезает бесследно. Она только переходит из одной формы

вдругую. Например, протон можно получить в результате столкновения нейтрона и П-мезона или Лямбда-гиперона и К-мезона, но это не означает, что в структуру всех этих частиц входит протон. Из этого следует, что одни частицы способны превращаться друг в друга, порождать друг друга при различных процессах взаимодействия.

Вопределенных условиях элементарные частицы вещества обнаруживают волновые свойства, а частицы поля – свойства корпускул. Это явление получило название «дуализма волны и частиц». Так сложились новые квантово-полевые представления о материи. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозаменяемость и взаимопревращаемость. Эта теория послужила основной для развития квантовой механики.

60

Другой фундаментальной теорией, которая была использована для разработки теории физической картины была теория относительности, в корне изменившая научное представление о пространстве и времени. По теории относительности все движения, происходящие в природе, имеют относительный характер. Это означает, что в природе не существует никакой абсолютной системы отсчета, которую допускала ньютоновская механика.

Была создана общая теория относительности, теория тяготения, принципиально отличная от прежних теорий. Эта теория впервые

установила четкую связь между движущимися материальными телами и их пространственно временной метрикой. Согласно этой теории, луч света, идущий от далекой звезды и проходящий вблизи Солнца, должен отклониться от своего прямолинейного пути и искривиться, что и было подтверждено наблюдениями. Общая теория относительности доказала, что формой существования материи является движение, пространство и время, а также тесная связь между материальными телами и физическими полями.

В современной физической картине мира сложилась новая «квантово-

полевая теория существования материи», которая определяется как корпускулярно-волновой дуализм – наличие у каждого элемента материи свойств волны и частицы. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость. В кванто-полевой теории о материи все физические взаимодействия между частицами материи представлены в виде гравитационных и электромагнитных волн разной интенсивности.

«Многие западные физики, находясь на позиции идеализма, пытаются доказать, что масса и энергия эквивалентны, в том смысле, что масса может превратиться в энергию и наоборот» (Дж. Амальди). Поводом для неправильного утверждения о превращении энергии в массу и наоборот послужило то, что физики рассматривали электромагнитные излучения, а также другие виды полей как чистую энергию, лишенную каких-либо материальных характеристик.

Однако, как показали исследования советских ученых, электромагнитное излучение характеризуется не только энергией. Кванты света или гамма-излучение обладают массой электромагнитной природы. Электромагнитное поле является особым видом материи, таким же равноправным, как и вещество. Поэтому превращение пары частиц (электрона и протона) в гамма-кванты не означает превращение вещества в энергию, а является превращением одной формы материи – частиц, в другую форму материи – кванты гамма-излучения (электромагнитное поле), обладающую электромагнитной массой. При этом масса и энергия двух исчезающих элементарных частиц превращается в массу и энергию, возникающую в гамма-квантах.

61

Крушение прежней механистической системы взглядов на природу идеалистически настроенные ученые выдают за крушение материализма. Они основываются на невозможности однозначного описания движений микрообъекта в несвойственных ему понятиях «координат и импульса». В результате они делают выводы об отсутствии причинно-следственных связей в движении микрообъектов.

Какими бы странными не казались нам вновь открытые свойства тех или иных микрообъектов, какими бы необычайными ни были их движения, это ни в коем не влечет за собой никаких идеалистических выводов. Электрон оказался не точкой и не шариком, а бесконечно более сложным объектом. Он действительно, как писал В.И. Ленин, «так же неисчерпаемый, как и атом», но это не дает нам право отрицать его объективное, независимое от наших наблюдений и измерений существование, а также отрицание закономерностей в его движении и взаимодействии. Нельзя отрицать возможность познания наукой этих законов и связей. В физике не привыкли к тому, чтобы исследуемые ими объекты сочетали в себе противоположные свойства. Для материалистической диалектики единство и их противоположные свойства уже давно являются азбучной истиной. Раскрытие двойственной корпускулярно-волновой природы микрообъектов явилось еще одним актом торжества материалистической диалектики в области физики.

Проблема изучения сосуществования этих свойств и их непрерывного взаимодействия внутри микрообъектов стоит перед наукой и возрастает по мере проникновения в недра элементарных частиц, изучения их структуры и взаимодействия со средой. Область фундаментальных исследований строения материи называется физикой высоких энергий. Полученные в ускорителе управляемые пучки быстрых частиц оказались единственным подходящим инструментом для исследования состава и устройства ядерных частиц. Для этого используется энергия в десятки, сотни и даже тысячи гигаэлектрон-вольт (ГэВ). Единица ГэВ равна 109 эВ (С.Х. Карпенков, 1997).

Создание квантово-полевой теории существования материи было настоящей революцией в астрономии при изучении электромагнитных излучений всех частот от различных космических объектов. В результате сделаны первые шаги в нейтронной астрономии, обнаружены гравитационные волны от взрывающихся звезд.

Большие успехи достигнуты в изучении магнитных полей и плотности газа в межзвездной среде, которые стали возможны благодаря развитию ракетно-космической техники. Благодаря научно-технической революции в изучении теории существования материи в астрономии наступила новая эра. Астрономия, прежде всего, стала «волновой», что в огромной степени увеличило её возможности. Огромное значение имеют исследования взаимосвязи между звездами и межзвездной средой, включающие

62

проблемы непрерывного образования звезд из концентрирующейся звездной среды.

Благодаря раскрытию двойственной корпускулярно-волновой природы материи стало возможным объяснение появления ударных волн в солнечном ветре при прохождении через магнитосферу Земли после вспышек на Солнце. Аналогичному воздействию подвергается солнечная система, при вращении вокруг галактического ядра (созвездие Стрельца). Галактический ветер корпускулярно-волновой природы формирует ударные волны при пересечении Солнцем секторной структуры межзвездного магнитного поля.

Тестовые задания к главе 2.

1. Какая из теорий строения материи отвечает современным представлениям

1)механистическая;

2)электромагнитная;

3) физическая (квантово-полевая).

2.Кто первый доказал, что элементарные частицы веществ обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами

1) Де Бройль;

2) Д.Д.Иваненко;

3) Н.Бор.

3.Кто впервые объяснил природу ядерных сил и составил их основные характеристики

1) И.Е.Тамм и Д.Д.Иваненко; 2) Э.Резерфорд и Н.Бор; 3) Г.Н.Флеров и К.А.Петржак.

4.Под естественнонаучной картиной мира понимают:

1)систему псевдонаучных вымыслов существования связей между явлениями;

2)систему важнейших принципов и законов, лежащих в основе существования материи;

3)догадки и произвольные логические построения.

5. Натурфилософия (умозрительное истолкование природы) представлена наиболее полно в труде античного ученого:

1)Анаксимена;

2)Анаксимандра;

63

3) Аристотеля.

64

Глава 3

ЗАКОНЫ РАЗВИТИЯ МАТЕРИАЛЬНОГО МИРА

Законы материалистической диалектики: переход количественных изменений в качественные, единство и борьба противоположностей, отрицания отрицания, развития по спирали. Категории материалистической диалектики: единичное и общее, причина и следствие, необходимость и случайность, возможность и действительность, содержание и форма, сущность и явление, самоорганизация, состояние, взаимодействие, близкодействие и дальнодействие. Принципы: симметрии, суперпозиции, неопределенности, дополнительности и системной целостности.

Для понимания сущности законов развития материального мира рассмотрим понятие «закона» вообще. Закон выражает общие, относительно устойчивые и повторяющиеся связи реального мира, которые при наличии соответствующих условий определяют характер, направление и результат развития. Из определения следует, что одним из важнейших признаков закона является относительная устойчивость и постоянство выражаемых им отношений.

Устойчивость и постоянство связей, характеризующие закон, проявляются в его повторяемости при наличии соответствующих условий.

Различают законы природы и законы общества. Законы природы существуют более длительное время, чем законы общества. Изучив законы природы и различные условия, в которых они проявляются и действуют, человек получает возможность управлять естественными природными процессами. Познав законы развития общества, люди могут влиять на ход исторических событий.

3.1. Законы диалектики

Фридрих Энгельс в 1886 году издал свой труд под названием «Диалектика природы», который посвятил разработке важнейших проблем в развитии естественных наук. Изучение истории развития естествознания и философских подходов к объяснению существования материи, позволили ему обосновать существование ряда законов, которые были названы законами диалектики.

К ним относятся: закон единства и борьбы противоположностей; закон перехода количественных изменений в качественные; закон отрицания отрицания, закон о развитии материального мира по спирали. Законы

65

диалектики конкретны, проявляются через частные законы развития конкретных процессов и явлений.

Закон перехода количественных изменений в качественные:

«Движение и изменение в природе и обществе представляют собой не только перемещение, но и количественный обмен энергией между телами, приводящие к качественным преобразованиям материи, ее развития, возникновения нового еще, не бывшего».

Всякий предмет, всякое явление на определенном этапе развития обязательно наделено определенными количественными значениями и качественными характеристиками. Стоит количественным изменениями выйти за пределы границ системы, как они превращаются в качественные. Такое превращение или переход от одного качества к другому принято называть скачком. Еще в древности греческие философы обратили внимание на то, что незначительные изменения до поры до времени остаются незаметными. Постепенно накапливаясь, они могут привести к качественно новому содержанию.

Например: мутация генов, постепенно накапливаясь, может привести к появлению совершенно нового вида; незаметно подкрадывается к человеку старость; коварна граница перехода от простого употребления алкоголя и наркотика до развития наркомании и алкоголизма; постепенное загрязнение воздуха, водоемов, нарастая, достигает со временем катастрофического уровня.

Понятие качество выражает специфику, своеобразие больших и малых групп предметов. Для установления качественных границ в природе используется метод классификации животного и растительного мира, технических устройств, профессий, наций и народностей.

Вместе с тем качественное разнообразие мира не является застывшим раз и навсегда, оно подвижно. И по мере увеличения количественных изменений изменяются и качественные характеристики природных систем.

66

Рис. 3.1. Переход количества в новое качество распадающегося радиоактивного атомного ядра Урана (по периодической системе Д. Менделеева).

Пример, под влиянием потока нейтронов многие элементы становятся радиоактивными и начинают испускать альфа и бэтта-лучи. При каждом превращении атом, выбрасывающий альфа-частицу сдвигается по таблице Менделеева в лево в клетку с номером, меньшим на 2 единицы, а атом выбрасывающий бэтта-частицу на одну клетку вправо. При этом с элементом происходят такие глубокие изменения его химической природы (рис. 3.1), которые в конечном итоге соответствуют перемещению элемента из 92 клетки (место Урана) в 82 (где находится свинец).

Закон единства и борьбы противоположностей:

«В природе, обществе и мышлении постоянно происходит разделение систем на противоположные начала. Вместе с тем они представляют собой единство (противоположностей). Противоположности не просто существуют, а находятся в состоянии постоянного противоречия, борьбы между собой. Борьба противоположностей составляет внутренние содержание и является источником развития материального мира».

На этот закон обратил внимание древнегреческий ученый Гераклит (544 – 483 год до н.э.), который писал: «Все течет, все изменяется и оборачивается своей противоположностью».

67

Этот закон раскрывает источники, устанавливает действительные причины вечного движения и развитие материального мира. Обобщение повседневных жизненных наблюдений опытных фактов, полученных в различных науках показало, что явлениям действительности присущ полярный характер. В любом из них можно найти положительное и отрицательное. В математике – плюс и минус, вовлечение в степень и извлечение из корня, дифференцирование и интегрирование. В физике – положительные и отрицательные заряды, в механике – притяжение и отталкивание. В химии – анализ и синтез химических веществ. В биологии

– ассимиляция и диссимиляция, наследственность и изменчивость, жизнь и смерть и т.д.

Противоположными называют такие свойства предметов, явлений и процессов, которые в шкалах (от и до) занимают самые крайние места.

Примеры противоположностей. Верх – низ, правое – левое, сухое – мокрое. Под диалектическими противоположностями понимаются такие стороны, тенденции того или иного изменяющегося предмета, явления или процесса, которые одновременно взаимоисключают и взаимопредполагают друг друга.

Диалектическим противоположностям присущи единство и взаимосвязь: Они взаимодополняют друг друга, взаимно проникают и взаимодействуют между собой. Отношения между диалектическими противоположностями всегда носят характер поступательного развития. Они способны переходить одна в другую, меняться местами и являются источником развития. Прогресс общественного развития осуществляется на основе единства и борьбы противоположностей. Среди противоречий общественного развития большую роль играют противоречия в материальном производстве и, прежде всего, между производительными силами и производственными отношениями. Такова суть диалектического закона и борьбы противоположностей. В.И. Ленин закон единства и борьбы противоположностей назвал сутью, ядром диалектики.

Закон отрицания отрицания:

«Замена старого новым, отмирающего нарождающимся и есть развитие; а само преодоление старого новым, возникающим на основе старого и называется отрицанием».

Закон отрицания отрицания раскрывает общее направление, тенденцию развития материального мира. В любой области материальной действительности постоянно происходит процесс отмирания старого, отжившего свой век, и возникновение нового, передового. К. Маркс указывал, что ни в одной области не может происходить развитие, не отрицающее своих прежних форм существования. Например, развитие земной коры прошло через ряд геологических эпох. Причем каждая новая эпоха возникла на базе предыдущей.

68

В органическом мире каждый новый вид растения или животного, возникая на основе старого, является в то же время его отрицанием.

История общества также есть цепь отрицаний старых общественных порядков и замена их новыми: первобытного – рабовладельческим, рабовладельческого – феодальным, феодализма – капитализмом, а капитализма – социализмом. Отрицание присуще и развитию познания, науки. Каждая новая, более совершенная научная теория, преодолевает старую уже устаревшую.

Закон о развитии материального мира по спирали:

В законах диалектики генеральной линией проходит идея о поступательности развития. В них, особенности в законе отрицания отрицания, охватываются не отдельные звенья, состояния или переходы, а спиралевидный процесс развития – по восходящей линии развития. Каждый виток спирали не есть простой возврат к пройденному, он ведет все выше и выше, служит началом нового витка, нового диалектического цикла в развитии. Развитие тем самым идет по пути восхождения. Поднимается на все более и более высокую ступень развития. При этом диалектические циклы, витки спирали выступают как взаимно обусловленные, органически связанные между собой этапы развития, как единый и вместе с тем качественно многообразный процесс.

Движение и изменение разнообразны, противоречивы. Процессам восхождения противостоят процессы нисхождения, прогрессивные тенденции неотделимы от регрессивных. Закономерность поступательного развития не исключает временных отклонений от основных тенденций поступательного движения вперед.

«Прогрессивный характер развития материального мира

характеризуется не как прямолинейное движение, а как чрезвычайно сложный спиралеобразный процесс с определенным повторением пройденных ступеней на более высоком уровне».

Спиралевидный характер развития присущ различным областям действительности: ярким проявлением этой особенности развития является периодический закон химических элементов, открытый Д.И. Менделеевым.

Спиралеобразное развитие имеет место и в общественной жизни. Поскольку новое, отрицая старое, сохраняет и развивает его положительные черты, развитие приобретает прогрессивный характер.

3.2. Категории диалектики

69

Категории материалистической диалектики являются тем переходным звеном, через которые законы диалектики входят сферу действительности конкретных наук и формируют понятия категории специальных наук.

В каждой науке вырабатываются критерии. В категориях конкретных наук обобщаются специфические стороны или процессы, происходящие в отдельных областях природы, общества и мышления.

Рассмотрим основные категории диалектики: единичное и общее,

причина и следствие, необходимость и случайность, возможность и действительность, содержание и форма, сущность и явление, самоорганизация и другие.

1. Единичное и общее Категория единичного отражает характер существования отдельных

элементов в системе.

Категория общего – существование элементов, связанных общими свойствами, общими источниками происхождения. Отдельное (единичное) богаче общего, ибо каждый отдельный элемент, помимо общих признаков, имеет свои индивидуальные (элементарные) свойства.

Вместе с тем целое (общее) имеет свои элементарные свойства, отсутствующие у его систем, подсистем. Общее формирует между отдельными элементами системы устойчивые функциональные связи. В этом и проявляется их диалектическое единство. Новое обычно возникает не сразу, а в форме единичных явлений, со временем усиливается, расширяется, совершенствуется и приводит к изменению всей системы.

2. Причина и следствие

Под причиной понимается явление, которое при определенных условиях обусловливает изменения. Следствием называется явление, возникшее в данной системе, либо вне ее под действием причины. Связь между причиной и следствием носит закономерный характер: данная причина всегда вызывает определенное следствие. Знание закономерностей причинно-следственной связи составляет основу научного познания.

По своему характеру причинные связи могут быть внутрисистемными и внешними по отношению к системе. Причины могут быть главными и неглавными. Главная причина определяет весь процесс в целом, она лежит в основе сущности явлений, а неглавная имеет вспомогательное значение, ускоряя либо замедляя течение процесса. Причина, породив следствие, или прекращает свое дальнейшее существование или сохраняется и продолжает оказывать дальнейшее воздействие на уже возникшее следствие, изменяя его дальше.

3. Необходимость и случайность

70

Под необходимостью диалектический материализм понимает факт закономерного развития события, вытекающего из внутреннего развития процессов в системе.

Случайностью называется явление, которое вытекает не из сущности и закономерного развития данного процесса, а из его внешних связей и отношений.

Необходимость связана с самой сущностью процесса, которым она обусловлена, а случайность является для процесса чем-то побочным, необязательным. Необходимость выступает как один из важнейших признаков закона, проявляясь в действии закона, обязательно пробивает себе дорогу и, в конечном итоге, осуществляется, несмотря ни на какие временные препятствия.

4. Возможность и действительность Возможность – определенная предпосылка нового в развитии

процессов и явлений и при соответствующих условиях может стать действительностью.

Действительность – уже реализованная или осуществленная возможность. Каждая возможность это определенный момент уже развивающейся действительности.

Процесс превращения возможностей в действительность и порождение действительностью новых возможностей бесконечен, как бесконечно развитие материального мира.

5. Содержание и форма

Любой процесс, явление или предмет представляют собой диалектическое единство системы, имеющей содержание и форму.

Содержание системы включает в себя всю совокупность признаков и процессов, вызванных развитием отдельных элементов и их групп (подсистем). Содержание системы имеет определенную организационную структуру.

Форма – способ существования, материи, выражение её содержания. Она неразрывно связана с содержанием. Например, производительные силы выступают, как содержание способа производственных отношений, а производственные отношения – как форма. Форма выражает определенное содержание, а содержание не всегда оформлено. Новое содержание приобретает новую форму. Форма и содержание противоположны и одновременно тесно связаны между собой. Ведущая роль принадлежит содержанию. Вместе с тем форма активно воздействует на содержание, ускоряя или замедляя его развитие.

6. Сущность и явление

71

Сущность – это категория диалектики, которая раскрывает внутренне содержание динамической системы.

Явление – внешнее проявление сущности. Категория сущности близка к категорию содержания, но в отличие от нее выделяет из содержания главное внутреннее содержание системы. Явление – внешне, менее устойчивая, чем сущность сторона процесса.

7. Самоорганизация

Понятие самоорганизация означает процессы внутрисистемной упорядоченности, развивающихся материально-динамических, качественно изменяющихся систем. В отличие от понятия организация оно отражает особенности существования динамических систем, развитие которых сопровождается их восхождением на более высокие уровни сложности и системной организации.

Самоорганизация систем осуществляется под действием в результате проявления законов диалектики: единство и борьбы противоположностей, отрицания отрицания, перехода количества в новое качество. В биологии самоорганизация прослеживается в наследственной изменчивости, естественном отборе и борьбе за существование, происходящих внутри системы под действием окружающей природной среды.

8. Состояние

Категория диалектики «состояние» близка к категории сущности, но в отличие от неё раскрывает физическое состояние объекта. Одно и то же вещество может находиться в различных состояниях – так называемых агрегатных состояниях. Например, вода может находиться в твердом – лед, жидком и газообразном – пар – состояниях. Переходы между агрегатными состояниями сопровождаются скачкообразным изменением ряда физических свойств, таких как плотность, энтропия и пр. Помимо газообразного, жидкого и твердого агрегатных состояний иногда рассматривают еще плазменное состояние. Возможность вещества находиться в нескольких агрегатных состояниях, обусловлена различиями

втепловом движении его молекул или атомов и в их взаимодействии.

Вгазообразном состоянии вещества кинетическая энергия теплового движения его частиц: молекул, атомов, ионов – значительно превосходит потенциальную энергию взаимодействия между ними, поэтому частицы движутся относительно свободно, равномерно заполняя при отсутствии внешних полей весь имеющийся для них объем.

Вжидком состоянии вещества содержат в себе черты как твердого состояния, такие как сохранение объема, прочность на разрыв, так и газообразного – изменчивость формы. Жидкости характерен так называемый ближний порядок в расположении частиц – молекул, атомов –

72

малое отличие в кинетической энергии теплового движения молекул и их потенциальной энергии взаимодействия.

Ближний порядок состоит в согласованности расположения соседних частиц в веществе, который соблюдается (в отличие от дальнего порядка) на малых расстояниях, сравнимых с размерами самих частиц. Кроме жидкостей ближний порядок характерен также для твердых аморфных тел. Дальним порядком характеризуются кристаллы, которым отвечает строгая повторяемость во всех направлениях (сдвиговая симметрия) одного и того же структурного элемента (атома, группы атомов, молекулы и т. п.) на протяжении сотен и тысяч периодов кристаллической решетки. В некоторых веществах наблюдается также упорядоченность в ориентации молекул (например, в жидких кристаллах), магнитных моментов, электрических дипольных моментов.

Тепловое движение молекул жидкости состоит из колебаний около положений равновесия и сравнительно редких скачкообразных переходов из одного равновесного положения в другое, с которыми связана текучесть жидкостей. Отметим здесь свойство сверхтекучести квантовой жидкости - жидкого гелия, открытое П.Л. Капицей в 1938 г., заключающееся в протекании без внутреннего трения (вязкости) через узкие щели, капилляры и т.п. при низких температурах (ниже 1,17 К).

В твердом состоянии вещества отличаются большой стабильностью формы и характером теплового движения атомов, которые совершают малые колебания около положения равновесия. Различают, как уже упоминалось, кристаллические и аморфные твердые тела. В первых существует пространственная периодичность в расположении положений равновесия атомов. В аморфных твердых телах атомы колеблются около хаотически расположенных точек. Устойчивым состоянием твердого тела является кристаллическое.

Различают твердые тела с ионной, ковалентной, металлической и др. типами связи между атомами, что обусловливает разнообразие их физических свойств. Электрические и некоторые другие свойства твердых тел в основном определяются характером движения внешних электронов его атомов. По электрическим свойствам твердые тела делятся на диэлектрики, полупроводники и металлы, по магнитным – на диамагнетики, парамагнетики и тела с упорядоченной магнитной структурой. Исследования свойств твердого тела объединились в большую область физики – физику твердого тела, развитие которой стимулируется потребностями техники.

9. Взаимодействие Взаимодействие – категория диалектики, которая раскрывает

процессы внутрисистемной упорядоченности в мезо-, микро-, и макромирах.

73

Около 60 лет назад считалось, что существует только четыре элементарные частицы - протон, нейтрон, электрон и фотон. Однако с тех пор в течение довольно короткого времени были открыты не только новые элементарные частицы, но и многочисленные процессы их взаимных превращении. Элементарные частицы образуют одно тесное неразделимое сообщество. Существование одной частицы, так или иначе, связано с наличием другой.

Для обозначения всех этих многообразных связей физики используют понятие «взаимодействие». Этот термин достаточно конкретный, но, с другой стороны, весьма широкий. Независимо оттого, притягиваются ли частицы между собой, отталкиваются или распадаются на другие частицы, - они «взаимодействуют» друг с другом.

Современная физика знает четыре силы, существующие в природе, и, соответственно, четыре типа взаимодействия. Первая, которая порождает так называемое сильное взаимодействие, действует на крайне коротких расстояниях (около 10-15 м) между частицами в атомных ядрах и обеспечивает «склейку» ядер. Другая, сила (в 1014 раз, слабее сильной), вызывающая между субатомными частицами, обуславливает бета-распад. Третья сила -электромагнитное взаимодействие примерно в 100 раз слабее сильного, зато радиус его практически не ограничен. Четвертая сила - гравитация - наиболее слабый вид взаимодействия: его интенсивность составляет всего лишь 10-43 от интенсивности электромагнитного взаимодействия.

10. Близкодействие и дальнодействие Категория диалектики «близкодействие» и «дальнодействие»

раскрывает пространственный принцип взаимодействия между физическими объектами. По концепции близкодействие – любое воздействие на материальные объекты может быть передано только между соседними точками пространства за конечный промежуток времени. Дальнодействие допускает действие на расстоянии с мгновенной скоростью – за очень короткий промежуток времени. После Ньютона эта концепция получает широкое распространение в физике, хотя он сам и понимал, что введенные им силы дальнодействия (например, силы тяготения) являются лишь формальным приближенным приемом, позволяющим дать верное в некоторых пределах описание наблюдаемых явлений. Окончательное утверждение принципа близкодействия пришло с выработкой концепции физического поля как материальной среды. Уравнения поля описывают состояние системы в данной точке в данный момент времени как зависящее от состояния в ближайший предшествующий момент в ближайшей соседней точке.

74

11. Принцип относительности

Принцип относительности - категория диалектики, которая раскрывает временную физическую теорию пространства и времени.

Содержание принципа относительности: «никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоиться ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы' природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой».

Из общей теории относительности следуют новые пространственно временные представления, например такие как, относительность длин и промежутков времени, относительность одновременности событий. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства – времени может изменяться от одной области к другой в зависимости от концентрации масс в этих областях и их движения.

12. Принцип инвариантности

Инвариантность – неизменность какой-либо величины при изменении физических условий (процессов) или по отношению к некоторым внешним преобразованиям в зависимости от смещения объекта во времени и пространстве.

Принцип инвариантности относительно сдвигов объекта в пространстве и времени является важным в понимании законов природы. Принцип инвариантности – смещение во времени и пространстве не влияет на протекание физических процессов. Инвариантность непосредственно связана с симметрией, представляющей собой сравнительное постоянство структурности материального объекта относительно его преобразований.

13. Принципы симметрии

Принцип симметрии – категория диалектики, которая определяет степень устойчивости систем во времени и пространстве. Принцип симметрии в настоящее время рассматривается на основе использования теоремы Нетер, которая в 1918 году доказала фундаментальную теорему, носящую теперь ее имя. Эта теорема утверждает, что существование любой конкретной симметрии – в пространстве – времени, степенях свободы элементарных частиц и физических полей – приводит к соответствующему закону сохранения, причем из этой же теоремы следует и конкретная структура сохраняющейся величины.

Согласно этой теоремы, из инвариантности относительно сдвига во времени – сдвиговая симметрия – (что выражает физическое свойство равноправия всех моментов времени – однородность времени) следует закон сохранения энергии; относительно пространственных сдвигов

75

(свойство равноправия всех точек пространства – однородность пространства) – закон сохранения импульса или количества движения; относительно пространственного вращения – осевая симметрия (свойство равноправия всех направлений в пространстве – изотропность пространства) – закон сохранения момента количества движения и другие (электрический заряд, обобщенный закон движения центра масс релятивистской системы), подчиняющиеся законам сохранения.

Теорема дает наиболее простой и универсальный метод получения законов сохранения в классической и квантовой механике, теории поля и т.д. Особенно важное значение имеет теорема Нетер в квантовой теории поля, где законы сохранения, вытекающие из существования определенной группы симметрии, являются часто основным источником информации о свойствах изучаемых объектов.

Свойства симметрии относятся к числу самых основных, коренных свойств физических систем. Большая часть теории элементарных частиц построена на анализе именно этих свойств. Понятия частицы и античастицы, идеи, связанные с проблемами четности, обратимости времени, и многое другое – в основе всего этого лежат представления о симметрии, о математической формулировке конкретных симметрий. В этом смысле современная физика идет по пути, проложенному геометрией.

14. Принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности

К категориям диалектики относятся принципы суперпозиции,

неопределённости и дополнительности. Эти три принципа являются одними из основополагающих принципов теоретической физики.

Принцип суперпозиции в классической физике позволяет получать результирующий эффект от наложения (суперпозиции) нескольких независимых друг от друга воздействий как сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности. Он справедлив для систем или полей, описываемых линейными уравнениями; очень важен в механике, теории колебаний и волновой теории физических полей. В квантовой механике, гидродинамике принцип суперпозиции относится к волновым функциям: если физическая система может находиться в состояниях, описываемых двумя или тремя волновыми функциями, то она может также находиться в состоянии, описываемом любой линейной комбинацией этих функций.

Принцип неопределенности представляет собой фундаментальное положение квантовой теории, состоящее в том, что характеризующие физическую систему так называемые дополнительные физические величины (например, координата и импульс) не могут одновременно принимать точные значения. Он отражает двойственную корпускулярноволновую природу элементарных частиц и теоретико-вероятностное, статистическое описание их взаимодействий. Погрешности, неточности,

76

ошибки при одновременном определении в эксперименте дополнительных величин связаны соотношением неопределенностей, установленным в 1925 г. Вернером Гейзенбергом (1901 -1976).

Соотношение неопределенностей состоит в том, что произведение неточностей любых пар дополнительных величин (например, координаты и проекции импульса на нее, энергии и времени) определяется постоянной Планка - квантом действия, названной в честь Макса Карла Эрнста Людвига Планка (1858 -1947).

Согласно принципу дополнительности, сформулированному Нильсом Хенриком Давидом Бором (1885 - 1962), при экспериментальном исследовании микрообъекта могут быть получены точные данные либо о его энергиях и импульсах, либо о поведении в пространстве и времени. Энергетически-импульсная и пространственно-временная характеристики, получаемые при взаимодействии микрообъекта с соответствующими измерительными приборами, «дополняют» друг друга. Этот принцип 'стал краеугольным камнем квантовой механики.

15.Принцип системной целостности

В системной структуре материального мира внутренние связи между элементами крепче, чем с внешними по отношению к данной системе идентичными элементами.

Системная совокупность элементов представляет собой единое целое. Целостность системы определяется крепостью связей внутри системы между элементами. Кризис в системе возникает в случае, если внутренние связи ослабевают. В случае усиливающегося кризиса отдельные элементы выходят из системы – возникает сепаратизм.

Тестовые задания к главе 3.

1.Какой из трех законов является, по определению В.И. Ленина, «ядром диалектики»?

1) переход количества в новое качество;

2) единство и борьба противоположностей;

3) отрицания отрицания.

2.Какая из категорий диалектики является главной и лежит в основе развития наук?

1) единичное и общее;

2) причина и следствие;

3) необходимость и случайность.

3.Какой из основных показателей характерен для законов природы:

1)устойчивость и постоянство связей;

2)повторяемость при наличии соответствующих условий;

77

3) корректировка во времени.

4.Закономерность поступательного развития материального мира: 1) исключает временные отклонения от поступательного развития;

2) не исключает временные отклонения от поступательного развития;

3) исключает частичное отклонение от поступательного развития;

5.Кто сказал: «Все течет, все изменяется и оборачивается своей противоположностью».

1) Гераклит;

2) Эмпедокл;

3) Демокрит.

78

Глава 4 СИСТЕМНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ЗАКОНЫ ЭНЕРГИИ

МАТЕРИАЛЬНОГО МИРА

Формы существования материи и её системная организация. Форма существования материи – единство движения материи во времени и пространстве. Теория относительности. Системная иерархия. Структурные уровни организации материи (неживая, живая и социальноорганизованная). Структурированность изучения материального мира. Законы взаимопревращения различных видов энергии материального мира

4.1. Формы существования материи

Форма существования материи – это единство движения во времени и пространстве. Движение – это изменение вообще, всякое

взаимодействие материальных объектов.

В мире нет материи без движения, так же как не может быть движения без материи. Движение материи абсолютно, тогда как всякий покой относителен и представляет собой один из моментов движения. Например, тело, покоящееся по отношению к Земле, движется вместе с ней вокруг Солнца, вместе с Солнцем – вокруг центра Галактики. Поскольку мир бесконечен, то всякое тело участвует в бесконечном движении. Качественная устойчивость тел и стабильность их свойств также представляет собой проявление относительного покоя. В процессе развития материи проявляются качественно новые и более сложные формы движения. Но даже механическое перемещение не является абсолютно простым. В процессе развития материи через электромагнитные и гравитационные поля между телами непрерывно происходит движение.

Теория относительности указывает, что «с увеличением скорости движения происходит возрастание массы тел, уменьшаются по направлению движения линейные размеры, убыстряется ритм процессов в телах». «При околосветовых скоростях электроны и другие частицы способны интенсивно излучать кванты электромагнитного поля по направлению движения».

Таким образом, всякое развитие материального мира включает в себя взаимодействие различных форм движения и их взаимное превращение. Движение так же неисчерпаемо, как и сама материя. Движение материи представляет собой процесс взаимодействия противоположностей.

Движение материальной системы включает в себя целостное изменение системы. Оно выступает как процесс развития системы. При восходящем развитии системы (от низшего к высшему) происходит усложнение связей, структуры и формы движения материальных объектов. Нисходящее развитие выражает напротив деградацию и распад системы, упрощение её форм движения. Движение является более общим понятием, чем развитие.

79

Выделяют следующие основные формы движения:

*в неживой природе – это движение элементарных частиц и полей (гравитационное, электромагнитное, взаимного превращения, движение атомов и молекул); движение макроскопических тел через процессы кристаллизации и изменение агрегатных состояний, движение в космических системах различного порядка);

*в живой природе – биологические процессы в различных системах (биохимические, гормональные электрофизиологические и т.д.);

*в обществе – все социальные изменения, присущие общественным системам различного порядка.

Общей мерой движения является энергия. Все виды энергии в природе, соответствующие различным формам движения. Их можно объединить в 3 основные группы:

- энергия пространственного перемещения тел; - энергия связей и взаимодействий тел посредством различных полей;

- собственная внутренняя энергия, соответствующая массе покоя тела. В первую группу входит кинетическая энергия поступательного,

вращательного, колебательного и других видов движения. Величина энергии зависит от массы и скорости тел, а у фотонов – от частоты колебаний.

Во вторую группу входят все виды потенциальной внутренней энергии материальных систем, представляющие собой различные проявления энергии взаимодействия посредством электромагнитного, гравитационного и ядерного полей.

В третью группу входит собственная внутренняя энергия каждого объекта, соответствующая его общей массе. Эта энергия находится в частицах в связанном состоянии и высвобождается полностью лишь в реакциях превращения пар частиц и античастиц в электромагнитное излучение. Она характеризует огромные внутренние возможности превращений и активных проявлений материй. Материя как бы пронизана энергией, и эта энергия высвобождается при определенных условиях.

Одной из форм движения материи является «жизнь». Жизнь – это форма движения высокоорганизованной материи (белковых тел),

содержанием которой является упорядоченный постоянный обмен веществ, энергии и информации внутри организма и с окружающей средой на каждом этапе развития.

Существенной особенностью «живых тел» является накопление информации, саморегуляция и воспроизводство. По существу, «жизнь» – это не одна форма движения, а система форм, в которых наряду с общими признаками есть и много специфических различий. Они проявляются при переходе от уровня организма к популяциям, видам, биоценозам и всей биосфере. Внутри каждой из таких систем существуют свои типы взаимодействий, подчиняющиеся различным законам.

80

Общественные формы движения включают в себя все типы отношений в обществе. По сравнению с другими формами они отличаются наибольшей сложностью. Усложняются прежде всего информационные связи, специфичные для всех самоорганизующихся систем с управлением. В обществе эти связи становятся необычайно многообразными в количественном и качественном отношениях.

Между всеми формами движения материи существует взаимная связь. Например, тепловое движение в неживой природе может существовать в очень широком диапазоне температур. Но в живых организмах оно возможно лишь в очень узком температурном интервале. Формы движения способны к взаимным превращениям при строгом выполнении законов, сохранения материи и её основных свойств.

Время и пространство представляют собой совокупность бесчисленного множества пространственно-временных свойств и структур реально существующих материальных систем.

Время характеризует последовательность смены состояний и причинно-следственных отношений, любых объектов и процессов.

Пространство как форма существования материи выражает существование, структурность и протяженность любых взаимодействующих объектов и систем.

Общими свойствами времени и пространства являются их объективность, независимость от человеческого сознания, их абсолютность как универсальных форм существования материи, неразрывную связь друг с другом и с движением, количественную и качественную бесконечность.

Важнейшим свойством пространства является его трехмерность.

Положение любого предмета может быть точно определено только с помощью трех независимых величин – координат. В прямоугольной декартовой системе координат – х, у, z, называемое длиной, шириной и высотой. В сферической системе координат – это радиус-вектор r, углы a и b. В цилиндрической системе – высота z, радиус-вектор и угол a.

Пространство выступает как всеобщая форма существования материи, которая выражает структурность, протяженность и сосуществование элементов материи в различных системах. Величина протяженности тел зависит от их внутренних и внешних связей. Пространству присуще определенное свойство симметрии. Она проявляется в сохранении объектами их геометрической формы и ряда других свойств при зеркальном отражении объектов, таких как шар, куб, параллелепипед и др. Но пространственная симметрия присуща далеко не всем объектам, например, асимметричное расположение некоторых органов у животных. Асимметрична пространственная структура молекул живого вещества.

Важнейшим свойством времени является его неповторяемость.

Сохраняемость материи и непрерывная последовательность его изменений

81

определяет и общую непрерывность времени. Поскольку любой конкретный объект существует ограниченный период, то время обладает свойством прерывности. Эта прерывность характеризует периоды изменения конкретных качественных состояний.

К числу важнейших свойств времени относят его одномерность и необратимость. Одномерность проявляется в последовательности временных изменений в виде линейной упорядоченности. Необратимость проявляется в ходе времени только от прошлого к будущему. Прошлое порождает настоящее и будущее. Но осуществившись, оно уже недоступно никакому внешнему влиянию и воздействию.

В 1905 г. Альбертом Эйнштейном была разработана теория относительности. Предметом теории относительности являются пространственно-временные отношения при равномерных и прямолинейных движениях систем отсчета. Эйнштейном были даны новые законы движения, обобщающие законы движения Ньютона. Эти обобщения сводились только для случая очень малых скоростей тел. В этой теории была раскрыта теория оптических явлений в движущихся телах.

Эйнштейн доказал, что масса тела пропорциональна запасенной в ней энергии. Одним из основных положений теории относительности является утверждение равноправности всех равномерных систем отсчета. Им отвергается существование абсолютного пространства и абсолютного времени, фигурирующих в ньютоновской физике.

Главный вывод теории состоит в установлении такой универсальной связи пространства и времени, в которой они объединены в единую форму существования материи – «пространство

– время». Только пространственно-временные отношения и свойства предметов и явлений имеют абсолютный характер и находятся в единой системе отсчета.

Важнейшими теоретико-познавательными выводами теории относительности является:

а) подтверждение учения диалектического материализма о пространстве и времени как формах существования материи;

б) развитие теории пространства и времени – соединение пространства и времени в единую форму существования и установление конкретной зависимости структуры пространства и времени от распределения движения материи;

в) установление внутренней связи единства ряда сторон материального мира;

г) связь массы и энергии и взаимную обусловленность законов поля тяготения и движения тел;

д) конкретизация и углубление представлений о неразрывности пространства, времени и движения материи.