Тема 3. Структурные уровни организации материи. Физические концепции строения мира и его развития

Третья и четвертая главы КОПР (третья тема в рабочей программе курса) и Раздел II учебного пособия Иконниковой Н.И. посвящены анализу структурных уровней организации материи; изучению основных физических характеристик материального мира, его законам, структуре и пространственно-временной его организации.

Современная наука оснастила познание системным подходом, методами системно-структурного моделирования. Это универсальные средства познания. В качестве системы можно рассматривать любой объект: атом, организм, общество, галактику и т.д. В любой системе выделяют структуру и элементы, структуру функций и возможных видов взаимодействий, структуру связей в координации и субординации элементов. Всякая система существует как целостное образование с интегративными свойствами и характеристиками, которые не могут иметь вид суммы свойств элементов. Естествознание изучает системы трех классов и типов – с одной стороны это системы неживой природы, живой природы и социальные системы, а с другой, это системы микромира, макромира и мегамира. В этом проявляется системный характер организации материального мира. Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности данной нам в ощущениях, которая копируется, фотографируется, отображается этими ощущениями, существуя независимо от них.

Микромир – это мир предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10^-8 до 10^-16 см, а время жизни – от бесконечности (начала образования Вселенной) до 10^-24 сек. Самая большая система микромира – атом.

В настоящее время современные нанотехнологии, например, сканирующие туннельные микроскопы (испытаны в 1981 году) и сканирующие атомно-силовые микроскопы (1986 г.) позволяют различать объекты, имеющие размеры около 0,1 диаметра атома водорода. А сами частицы получают с помощью ускорителей и коллайдера. Микромир – это мир элементарных частиц и полей.

Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносится с масштабами человеческого опыта. Пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах, метрах и километрах, а время – в секундах, минутах, часах, сутках и годах.

Макромир имеет несколько уровней организации:

I. физический (механический) уровень рассматривает строение веществ, их физические свойства и движение;

II. химический уровень значительно более сложный, он исследует химические процессы и реакционную способность веществ.

Все вещества, находящиеся в твердом или жидком состоянии, состоят из молекул. Молекулы образуют кристаллические решетки, руды, скалы и другие объекты, т.е. то, что мы можем почувствовать, увидеть и т.д. Такие огромные образования как горы, океаны – это все молекулы, связанные между собой. Молекулы – новый уровень организации, они все состоят из атомов, которые в этих системах рассматриваются как неделимые, т.е. элементы системы.

Несмотря на то, что физический и химический уровни организации макромира изучают молекулы, химический уровень значительно более сложный, т.к. исследует химические процессы и именно химический процесс делает химию более сложной наукой, чем физика, показывает не сводимость химического уровня организации материи к физическому.

III уровень организации макромира - биологический, который в свою очередь имеет несколько уровней:

1. молекулярный;

2. клеточный – клетки бактерий, грибов, растений, животных;

3. многоклеточного организма – растений, грибов, животных;

4. популяционный (или видовой);

5. биогеоценозов;

6. биосферный.

IV. социальный уровень – человеческое общество (его исследуют социальные науки, которые вместе с естественными изучают ноосферу).

Как уже говорилось выше, самый маленький элемент макромира – атом, а самая большая система – планета Земля. В состав макромира входят как неживые системы, так и живые системы различного уровня. Каждый уровень организации макромира содержит как микроструктуры, так и макроструктуры. Например, молекулы – вроде бы, должны относится к микромиру, поскольку они нами непосредственно не наблюдаются. Но, у нас есть сейчас возможность видеть с помощью микроскопов часть атома водорода. С другой стороны – есть огромные молекулы, чрезвычайно сложные по своему строению, например, ДНК ядра длиной почти в 1 см, и если бы молекула была толще, мы бы ее увидели невооруженным глазом.

Мегамир – следующий уровень организации материи. Это – мир огромных космических масштабов и скоростей, в котором расстояние измеряется световыми годами, а время существования – миллионами и миллиардами лет. Это мир галактик и их скоплений, звезд и планет, где в космическое пространство выбрасывается огромное количество энергии, и путешествуют такие странники как кометы, астероиды.

Высшие уровни организации материи нельзя сводить к низшим, поскольку с каждым новым уровнем появляются такие особенности, которых нет на предыдущих.

Микромир, макромир и мегамир теснейшим образом взаимосвязаны. Во всех мирах существуют общие правила «игры». К таким правилам относятся законы сохранения (неизменность некоторых физических величин во времени) и законы симметрии (неизменность некоторых физических величин в пространстве). Внимание! У студентов бакалавриата тема 4 «Пространство и время в современной научной картине мира», данная в КОПР по существующей программе не рассматривается как отдельная, а изучается в теме 3 «Структурные уровни организации материи». Темы 3 и 4 КОПР объединяются, поскольку существуют особенности свойств пространства и времени на различных уровнях организации материи.

МИКРОМИР – элементарные частицы и поля.

Под веществом понимают частицы и тела, у которых есть масса покоя, а поля и их кванты массы покоя не имеют, но обладают энергией, импульсом и другими свойствами. Однако поле и вещество нельзя противопоставлять друг другу, так как при рассмотрении структуры вещества, на долю частиц приходится очень маленькая часть общего объема (10-38), т.е. поля входят в структуру вещества. Кроме того, мы можем наблюдать непрерывные взаимопереходы полей и частиц друг в друга.

В современной квантовой теории под полем понимается система с переменным числом частиц. Так, с современной точки зрения в природе существует совокупность двух полей (электрического и магнитного) – это электромагнитное поле, оно представляет собой особый вид материи, т.е. существует объективно, независимо от нашего сознания. Магнитное поле всегда порождается переменным электрическим, и наоборот, переменное магнитное поле всегда порождает переменное электрическое поле. Электрическое поле, вообще говоря, можно рассматривать отдельно от магнитного, так как носителями его являются частицы – электроны и протоны. Магнитное поле без электрического не существует, так как носителей магнитного поля нет. Электромагнитные колебания – это колебания электрических и магнитных полей, которые сопровождаются периодическим изменением заряда, тока и напряжения.

Простейшие электромагнитные волны — это волны, в которых электрическое и магнитное поля совершают синхронные гармонические колебания. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, по расчетам Максвелла, должна быть приблизительно равна 300 000 км/с.

Возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов продемонстрировал 7 мая 1895 г. русский физик А. Попов. Этот день считается днем рождения радио.

Свет – это электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом, т. е. длин волн в интервале 380 - 770 нм.

Свету присущи все свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация. Он может оказывать давление на вещество, поглощаться средой, вызывать явление фотоэффекта. Имеет конечную скорость распространения в вакууме 300 000 км/с, а в среде скорость убывает.

Наиболее наглядно волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции и дифракции. Интерференцией света называют пространственное перераспределение светового потока при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности (интерференционная картина). Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветны.

Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении у края преграды называют дифракцией света. Дифракция объясняется тем, что световые волны, приходящие в результате отклонения из разных точек отверстия в одну точку на экране, интерферируют между собой. Происходит явление поляризации, т. е. кристалл пропускает только такие волны, в которых колебания вектора напряженности электрического поля совершаются в одной плоскости – плоскости поляризации. Явление поляризации доказывает волновую природу света и поперечность световых волн.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями – квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой Е = hv, где h – постоянная Планка, равная, v – частота света. Гипотеза Планка объяснила многие явления: в частности, явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Г. Герцем и изученного экспериментально русским ученым А. Г. Столетовым. Фотоэффект – это явление испускания электронов веществом под действием света.

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе его теории лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода. Работа выхода – это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла.

Самое низкое энергетическое состояние поля, в котором вообще нет квантов, называется вакуумом. В состоянии вакуума отсутствуют частицы, и он не обладает механическими свойствами (тела при движении в нем не испытывают трения). Однако вакуум, обладая реальными свойствами, не является «пустым пространством». В вакууме в малых пространственных областях (10^-33 см) постоянно происходят процессы рождения и уничтожения частиц и античастиц разного сорта. Образно говоря, вакуум похож на «кипящий бульон», состоящий из элементарных частиц. Поэтому в квантовой теории возникло представление о физическом вакууме как о «квантовой жидкости», находящейся в вечном движении и описывающейся уравнениями квантовой гидродинамики. Если на вакуум воздействовать зарядом, то его состояние проявляется как электромагнитное поле; если массой – то, как гравитационное. Исходя из этого, физики считают вакуум источником вещества и энергии во Вселенной.

Сейчас известны свыше 350 элементарных частиц обнаруженных как экспериментально, так и теоретически вычисленных. Термин «элементарная частица» первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных объектов.

Вы знаете, что во всех телах макромира можно выделить относительно простые структурные элементы, т.е. существует структурная иерархия. Например, молекула может быть разложена на атомы. Поиск самых простых частиц вещества показал, что абсолютной элементарности не существует, что частицы имеют ту или иную структуру, но, исторически сложившееся название продолжает существовать. Поэтому только условно можно назвать три класса частиц, у которых не обнаружена внутренняя структура: лептоны, кварки и бозоны.

В настоящее время к группе элементарных частиц относятся частицы, распады которых происходят с дефектом масс, сравнимых по величине с массой исходной частицы или массами распадных частиц.

Почти каждая элементарная частица имеет соответствующие ей античастицы, а основными характеристиками являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.

Основой современной стандартной модели стало представление, что:

• исходными кирпичиками Вселенной являются поля;

• частицы – квантованные жгуты энергии поля. Они обмениваются виртуальными сгустками энергии (прежде волнами).

Стандартная модель включает два вида взаимодействия: сильное и электрослабое.

Сильное взаимодействие осуществляют кварки. Сегодня известны шесть кварков и их антикварки, входящих в три семейства (или поколения). Семейство 1 состоит из верхнего и нижнего кварков; семейство 2 – из очарованного и странного; семейство 3 – из истинного и красивого кварков. Верхний, очарованный, истинный имеют заряд +2/3; нижний, странный, красивый – заряд -1/3. Кварки обмениваются виртуальными частицами, называемыми глюонами.

Электрослабое взаимодействие осуществляют лептоны. Существует шесть лептонов и антилептонов. Они также объединяются в три семейства. Семейство 1 состоит из электрона и электронного нейтрино; семейство 2 – из мюона и мюонного нейтрино; семейство 3 – из тау и тау-нейтрино. Электрон, мюон и тау имеют заряд -1; электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино – заряд 0. Лептоны взаимодействуют, обмениваясь виртуальными частицами: фотоном, двумя W-бозонами и одним Z-бозоном.

Согласно стандартной модели атом имеет следующее строение: протоны (состоят из двух верхних и одного нижнего кварка, связанных глюонами) и нейтроны (состоят из одного верхнего и двух нижних кварков, связанных глюонами). Связь электронов с протонами в ядре обеспечивается фотонами. Верхний и нижний кварки, а также электрон и электронное нейтрино стабильны, другие кварки и лептоны – нестабильны и через короткое время распадаются на более устойчивые частицы. Все частицы, кроме глюона и фотона, обладают массой. Нулевая масса фотона обусловливает большую дальность электромагнитного взаимодействия, поскольку его переносчик может перемещаться со скоростью света.

Все кварки и лептоны – фермионы, переносчики взаимодействий – бозоны. К бозонам относятся: фотон, W+-бозон, W--бозон, Z-бозон, глюон и бозон Хиггса, который ищут с помощью коллайдера.

Существующая в настоящее время модель будет дополняться и возможно пересматриваться.

При переходе к исследованию микромира оказалось, что одни и те же объекты обнаруживают как волновые, так и корпускулярные свойства. Это явление получило название корпускулярно-волновой дуализм.

Одним из следствий этого положения стал принцип неопределенности В. Гейзенберга, что нельзя одновременно точно знать два параметра частицы – координату и скорость. Это означает, что, мы знаем, где частица находится в данный момент, то нельзя определить скорость, и, наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы.

Другим фундаментальным принципом квантовой механики является принцип дополнительности Н. Бора. Он гласит, что понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу.

В микромире корпускулярная и волновая картины сами по себе не являются достаточными, как и в мире больших тел. Они обе законны, и противоречие между ними снять нельзя. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплементарными.

МАКРОМИР

Физический (механический) уровень макромира рассматривает строение веществ, их физические свойства и движение Так, любое вещество состоит из молекул, а его физические свойств зависят от того, каким образом упорядочены молекулы и как они взаимодействуют между собой.

Молекулярно-кинетическая теория – раздел физики, изучающий свойства различных состояний вещества, основывающийся на представлениях о существовании молекул и атомов как мельчайших частиц вещества. В ее основе лежат три основных положения:

1. Все вещества состоят из мельчайших частиц: молекул, атомов или ионов.

2. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении, скорость которого определяет температуру вещества.

3. Между частицами существуют силы притяжения и отталкивания, характер которых зависит от расстояния между ними.

Известно пять агрегатных состояний вещества: газ, жидкость, твердое тело, плазма и конденсат Бозе-Эйнштейна.

Газ расширяется, пока не заполнит весь отведенный ему объем. Молекулы находятся в непрерывном беспорядочном движении и практически не вступают во взаимодействие друг с другом. Если увеличить или уменьшить объем сосуда, молекулы равномерно перераспределятся в новом объеме. Молекулярно-кинетическая теория связывает молекулярные свойства газа с его макроскопическими свойствами, такими как температура и давление. Процесс, происходящий с данной массой газа при одном постоянном параметре – температуре, давлении или объеме называется изопроцессом. Изотермическим называют процесс, протекающий при постоянной температуре. Изохорным называют процесс, протекающий при постоянном объеме. Изобарным называют процесс, протекающий при постоянном давлении.

В отличие от газа жидкость при заданной температуре занимает фиксированный объем, однако и она принимает форму заполняемого сосуда, но только ниже уровня его поверхности. Молекулы находятся в тесном контакте друг с другом, но и имеют свободу относительно друг друга (как бусинки в банке). В результате при наливании жидкости в сосуд, молекулы быстро растекаются и заполняют нижнюю часть объема сосуда, принимая его форму, но, не распространяясь на весь объем сосуда.

Испарение – парообразование, происходящее при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Неравномерное распределение кинетической энергии молекул при тепловом движении приводит к тому, что при любой температуре кинетическая энергия некоторых молекул жидкости или твердого тела может превышать потенциальную энергию их связи с другими молекулами. Большей кинетической энергией обладают молекулы, имеющие большую скорость, а температура тела зависит от скорости движения его молекул, следовательно, испарение сопровождается охлаждением жидкости. Скорость испарения зависит: от площади открытой поверхности, температуры, концентрации молекул вблизи жидкости. Конденсация – процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое.

Вследствие постоянного испарения воды с поверхностей водоемов, почвы и растительного покрова, а также дыхания человека и животных в атмосфере всегда содержится водяной пар. Поэтому атмосферное давление представляет собой сумму давления сухого воздуха и находящегося в нем водяного пара. Давление водяного пара будет максимальным при насыщении воздуха паром. Насыщенный пар в отличие от ненасыщенного не подчиняется законам идеального газа. Так, давление насыщенного пара не зависит от объема, но зависит от температуры.

Большинство явлений, наблюдаемых в природе, например быстрота испарения, высыхание различных веществ, увядание растений, зависит не от количества водяного пара в воздухе, а от того, насколько это количество близко к насыщению, т. е. от относительной влажности, которая характеризует степень насыщения воздуха водяным паром. При низкой температуре и высокой влажности повышается теплопередача и человек подвергается переохлаждению. При высоких температурах и влажности теплопередача, наоборот, резко сокращается, что ведет к перегреванию организма. Наиболее благоприятной для человека в средних климатических широтах является относительная влажность 40–60%. Относительной влажностью называют отношение плотности водяного пара (или давления), находящегося в воздухе при данной температуре, к плотности (или давлению) водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах

Твердое тело имеет собственную форму, не растекается по объему контейнера и не принимает его форму. Атомы прикрепляются друг к другу химическими связями, и их положение друг относительно друга фиксировано. При этом они могут образовывать как жестские упорядоченные структуры (кристаллические решетки), так и аморфные тела (полимеры). Каждый может легко разделить тела на твердые и жидкие. Однако это деление будет только по внешним признакам. Для того чтобы выяснить, какими же свойствами обладают твердые тела, надо их нагревать. Одни тела начнут гореть (дерево, уголь) – это органические вещества. Другие будут размягчаться (смола) даже при невысоких температурах – это аморфные. Третьи будут изменять свое состояние, не меняя форму. Это и есть кристаллические тела. Такое поведение кристаллических тел при нагревании объясняется их внутренним строением. Кристаллические тела – это такие тела, атомы и молекулы которых расположены в определенном порядке, и этот порядок сохраняется на достаточно большом расстоянии. Пространственное периодическое расположение атомов или ионов в кристалле называют кристаллической решеткой. Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки.

Кристаллические тела бывают монокристаллами и поликристаллами. Монокристалл обладает единой кристаллической решеткой во всем объеме.

Поликристалл представляет собой соединение мелких, различным образом ориентированных монокристаллов (зерен) и не обладает анизотропией свойств. Большинство твердых тел имеют поликристаллическое строение (минералы, сплавы, керамика).

Основными свойствами кристаллических тел являются: определенность температуры плавления, упругость, прочность, зависимость свойств от порядка расположения атомов, т. е. от типа кристаллической решетки.

Аморфными называют вещества, у которых отсутствует порядок расположения атомов и молекул по всему объему этого вещества. В отличие от кристаллических веществ аморфные вещества изотропны. Это значит, что свойства одинаковы по всем направлениям. Переход из аморфного состояния в жидкое происходит постепенно, отсутствует определенная температура плавления. Аморфные тела не обладают упругостью, они пластичны. В аморфном состоянии находятся различные вещества: стекла, смолы, пластмассы и т.п.

Упругость — свойство тел восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил или других причин, вызвавших деформацию тел. Пластичность — свойство твердых тел под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные деформации после того, как действие этих сил прекратится.

Плазма характеризуется частичным или полным срывом электронов с их атомных орбит, при этом сами свободные электроны остаются внутри вещества. Плазма, будучи ионизированной, в целом остается электрически нейтральной, поскольку число положительных и отрицательных зарядов в ней остается равным. Мы можем наблюдать как холодную и в незначительной степени ионизированную плазму (например, в люминесцентных лампах), так и полностью ионизированную горячую плазму (например, внутри Солнца).

При сверхнизких температурах скорости молекул снижаются настолько, что мы не можем точно определить их местоположение. Это происходит в силу принципа неопределенности Гейзенберга. Когда температура снижается настолько, что степень неопределенности положения атомов оказывается сопоставимой с размерами группы атомов, к которой они принадлежат, вся группа начинает вести себя как единое целое. Именно такое состояние вещества называется конденсатом Бозе-Эйнштейна.

Изменение внутренней энергии без совершения работы называется теплопередачей. При этом энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность (непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела); конвекция (перенос энергии потоками жидкости или газа) и излучение (перенос энергии электромагнитными волнами). Мерой переданной энергии при теплопередаче является количество теплоты.

Эти способы количественно объединены в закон сохранения энергии, который для тепловых процессов читается так: изменение внутренней энергии замкнутой системы равно сумме количества теплоты, переданной системе, и работы внешних сил, совершенной над системой.

МЕГАМИР (космос, Вселенная) – взаимодействующая и развивающаяся система небесных тел.

Космические расстояния настолько огромны, что расстояние измеряется скоростью света (около 300 тысяч километров, что равняется приблизительно семи оборотам вокруг Земли). Приблизительно за восемь минут свет преодолевает путь от Солнца до Земли. Единица длины, равная пути, который свет проходит за год, называется световым годом. Ею измеряют не время, а расстояния. Например: ближайшие к нам галактики – Магеллановы облака находятся от нас в 200 тысяч световых лет, а созвездие Андромеды в 1800 тысяч световых лет. Некоторые галактики удалены от нас на расстояния, которые свет проходит за миллиарды лет.

В последнее время появились доказательства того, что вещество, доступное нашему наблюдению, составляет лишь незначительную долю всей материи во Вселенной – 4%, большинство массы составляет «темная вещество» – 23% и «темная энергия» – 73%. Считается, что «темная энергия» вызывает ускоряющееся расширение Вселенной, а «темное вещество» отвечает за быстрое вращение галактик и их скоплений.

Видимое вещество во Вселенной представлено в плотном и диффузном состоянии. Диффузная материя заполняет межзвездное пространство и существует в виде межзвездного газа и пыли, состоящих из разобщенных атомов и молекул. В среднем, в 1 см³ находится 1 атом, но это не вакуум.

Химический состав межзвездного газа сходен с химическим составом наружных слоев звезд. Преобладают атомы водорода, гелия, металлов, простейшие молекулярные соединения (например, СО, CN). В состав космической пыли входят свыше 50 разных органических молекул.

Межзвездный газ и пыль образуют туманности (газопылевые облака).

Плотное вещество находится преимущественно в звездном состоянии (около 97%) и 3% приходится на планеты, астероиды, кометы и др. объекты.

Звезды представляют собой гигантские плазменные образования различной величины, массы, светимости, температуры поверхностных слоев, с разной характеристикой движения. От температуры звезды зависит ее цвет. Например, если температура поверхностных слоев равна 4000оК, ее цвет красный, 7000оК – желтый, свыше 10000оК – белый или голубой. Ядерные превращения в недрах звезд являются источником колоссального количества энергии, излучаемого звездой.

Звезды образуют системы. Простейшие системы – кратные – состоят из двух, трех, четырех и больше звезд, вращающихся вокруг общего центра тяжести. Более большие группы – скопления имеют «рассеянную» или «шаровую» структуру и включают сотни тысяч звезд (№ 58).

Самые большие системы – галактики. Они разнообразны по форме и размерам. Различают неправильные, спиральные и эллиптические галактики. К спиральным галактикам относится наша Галактика, внутри которой расположена Солнечная система. Она состоит из свыше 150 млрд. звезд самых различных типов и умеет форму уплощенного диска. Наибольший диаметр равен 100 тысячам световых лет, а толщина около 1500 световых лет. В центре диска располагается галактическое ядро, сплюснутое шарообразное облако звезд. Ядро Галактики представляет собой гигантский вихрь газово-пылевых облаков и скопления старых красноватых звезд. В его центре расположена массивная черная дыра. От ядра отходят спиральные рукава (в нашей Галактике их четыре), в состав которых входят молодые, горячие, голубые звезды.

Наша Галактика и туманность Андромеды – самые большие из известных нам галактик. Например, масса некоторых карликовых галактик в миллион раз меньше нашей, правда, есть и в сотни раз больше нашей.

В 1963 г. были обнаружены квазары (квазизвездный радиоисточник). Они удалены от нас на расстояния, превышающие самые удаленные из известных нам галактик. Поскольку мы все же их можем наблюдать, то это означает, что их светимость во много десятков раз превышает светимость даже самых больших галактик, причем яркость квазаров меняется, а, следовательно – это не галактики и мы пока не понимаем их природу.

Есть более высокие уровни организации во Вселенной: скопления и сверхскопления галактик. Например, в состав нашей Местной группы, размером несколько миллионов световых лет, входят наша Галактика и Туманность Андромеды и 35 малых галактик-спутников, каждая из которых удерживается на гигантской орбите гравитационным притяжением всей группы. Местная группа находится на периферии архипелага галактик, сосредоточенного вокруг скопления в созвездии Дева, где насчитывают около 30 тысяч галактик. Такие скопления объединяются в сверхскопления. Ближайшее и наиболее известное из них – Великая стена, плоский массив галактик на расстоянии примерно 200 миллионов световых лет от нас.

К настоящему времени обнаружен еще целый ряд далеких сверхскоплений галактик. Считается, что в крупных масштабах Вселенная имеет ячеистую структуру, в узлах и ребрах которой располагаются сверхскопления галактик.

Другие объекты – Планеты – несветящиеся тела, вращающиеся вокруг звезд, отличающиеся своими размерами, массой и расстоянием от звезды. Метеориты – каменные, металлические, ледяные. Среди них есть такие размером с пылинку, но бывают и обломки, весящие миллионы тонн. Кометы, состоящие изо льда с примесями метана и аммиака. Вторгаясь в атмосферу Земли, обломок кометы порождает огромный сияющий болид, способного создать ударную волну, которая регистрируется по всему миру. Метеоры – остатки разрушившихся комет. Старые кометы, проходя вблизи Солнца, подвергаются распаду и испаряются. Их остатки рассеиваются вдоль всей кометной орбиты. Там, где эта орбита пересекается с земной, нас поджидает метеорный рой. Однако большинство метеоров при входе в атмосферу тают, или настолько малы, что можно отыскать только крупицы неледяных составляющих кометного ядра.