22.Проявления фундаментальных взаимодействий и структурные уровни организации материи.

Взаимодействие в физике — воздействие тел или частиц друг на друга,

приводящее к изменению состояния движения. В классической механике

количественной мерой взаимного действия является физическая величина,

называемая силой. Более общей характеристикой взаимодействий является

потенциальная энергия тел (частиц). Именно второе значение этого понятия

применимо при рассмотрении ядерных сил. В рамках классической механики

изучение ядерных сил принципиально невозможно.

Современному естествознанию природа, во всей своей беспредельности и

многообразии форм и проявлений, представляется в виде лишь четырех

фундаментальных взаимодействий.

Фундаментальные взаимодействия отличаются друг от друга расстоянием, на котором они проявляются, отношением сил, энергиями, приходящимися на частицу, интенсивностью, характерным временем протекания процессов, происходящих в мире элементарных частиц. В порядке возрастания интенсивности эти взаимодействия располагаются следующим образом: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное (или ядерное).

По современным представлениям любое взаимодействие осуществляется путем обмена между объектами виртуальными(или реальными) частицами-переносчиками энергии.

Отличительной особенностью фундаментальных взаимодействий является то, что их нельзя свести к другим, более простым взаимодействиям. Законы

фундаментальных взаимодействий выражаются точными математическими

формулами.

- Гравитационное взаимодействие осуществляется посредством

гравитационного поля. Любая масса создает в пространстве гравитационное поле,

действующее на другую массу с силой, величина которой определяется по закону

всемирного тяготения. Следует отметить, что для гравитационных

взаимодействий вопрос о переносчиках далеко не прост, и сама теория

гравитационного поля в том виде, в каком существует в настоящее время,

занимает особое место в физической картине мира. Принято, что переносчиками

гравитационного поля являются виртуальные частицы — гравитоны.

Гравитационные силы незначительны, если рассматривать взаимодействие

элементарных частиц. Принимая во внимание современное состояние теории

элементарных частиц, эти силы при таком рассмотрении не учитываются. В то же

время они являются основными силами, управляющими движением и эволюцией

небесных тел, массы которых велики.

Гравитационные силы можно назвать «самыми универсальными» среди всех

сил природы, поскольку все, что имеет массу, должно испытывать

гравитационные воздействия. Не существует такой формы материи, которой не

была бы присуща масса. Гравитационное взаимодействие свободно передается

через любые тела, ему невозможно поставить преграду.

- Слабое взаимодействие значительно слабее сильного (ядерного) и

электромагнитного взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного. Так,

ядерное взаимодействие примерно в 100 раз превосходит электромагнитное и в

1014 раз — слабое. Слабые взаимодействия определяют процессы, протекающие между элементарными частицами, из которых состоит вещество. Так, если бы перестали существовать слабые взаимодействия, то погасло бы Солнце, поскольку был бы невозможен процесс превращения элементарных частиц, который является основным источником энергии Солнца и большинства звезд.

- Электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством

электромагнитного поля, квантами которого являются фотоны. Это

взаимодействие не универсальное, оно существует только между заряженными

телами. Любой заряд создает в окружающем пространстве электромагнитное

поле, действующее на другой заряд, который находится в этом поле, с

определенной силой. В случае неподвижных зарядов значение этой силы

определяется законом Кулона. Если заряды движутся относительно выбранной

системы отсчета, то сила электромагнитного взаимодействия является векторной суммой электрической и магнитной составляющих. Силы электромагнитного

взаимодействия могут быть как силами притяжения, так и силами отталкивания.

- Сильное взаимодействие является самым интенсивным. Оно отвечает за

процессы, которые происходят внутри атомных ядер, и за процессы

взаимодействия элементарных частиц (кроме процессов, которые подчиняются

слабым взаимодействиям). Квантами сильного взаимодействия являются

π-мезоны.

Сильное взаимодействие обусловлено участием во взаимодействии

специфических физических полей. Более того, взаимодействия, которые

наблюдаются и рассматриваются как не зависящие друг от друга, могут оказаться

различными проявлениями более общего единого взаимодействия.

Уровни организации материи

В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное образование, включающее составные части, организованные в целостность. Для обозначения целостности объектов в науке было выработано понятие системы.

Система представляет собой совокупность элементов и связей между ними. Понятие "элемент" означает минимальный, далее уже неделимый компонент в рамках системы. Элемент является таковым лишь по отношению к данной системе, в других же отношениях он сам может представлять сложную систему. Совокупность связей между элементами образует структуру системы. Устойчивые связи элементов определяют упорядоченность системы. Существуют два типа связей между элементами системы – по "горизонтали" и по "вертикали". Связи по "горизонтали" – это связи координации между однопорядковыми элементами. Они носят коррелирующий характер: ни одна часть системы не может измениться без того, чтобы не изменились другие части. Связи по "вертикали" – это связи субординации, т.е. соподчинения элементов. Они выражают сложное внутреннее устройство системы, где одни части по своей значимости могут уступать другим и подчиняться им. Вертикальная структура включает уровни организации системы, а также их иерархию.

Исходным пунктом всякого системного исследования является представление о целостности изучаемой системы. Целостность системы означает, что все ее составные части, соединяясь вместе, образуют уникальное целое, обладающее новыми интегративными свойствами. Свойства системы – не просто сумма свойств ее элементов, а нечто новое, присущее только системе в целом. Рассмотрим для примера молекулу воды Н2O. Сам по себе водород, два атома которого образуют данную систему, горит, а кислород (в систему входит один атом) поддерживает горение. Система, образованная из этих элементов, вызвала к жизни совсем иное, интегративное свойство: вода гасит огонь. Наличие свойств, присущих системе в целом, но не ее частям, определяется взаимодействием элементов.

Таким образом, на каждом структурном уровне материи существуют особые (эмерджентные) свойства, отсутствующие на других уровнях. Внутри каждого из структурных уровней существуют отношения субординации, например, молекулярный уровень включает атомарный, а не наоборот. Всякая высшая форма возникает на основе низшей, включает ее в себя в снятом виде. Это означает, по существу, что специфика высших форм может быть познана только на основе анализа структур низших форм. И наоборот, сущность формы низшего порядка может быть познана только на основе содержания высшей по отношению к ней формы материи.

В естественных науках выделяются два больших класса материальных систем: системы неживой природы и системы живой природы. В неживой природе структурными уровнями организации материи являются:

· вакуум (поля с минимальной энергией);

· поля и элементарные частицы;

· атомы;

· молекулы;

· макроскопические тела;

· планеты и планетные системы;

· звезды и звездные системы;

· галактики;

· метагалактика (наблюдаемая часть Вселенной);

· Вселенная.

В живой природе выделяют два важнейших структурных уровня организации материи – биологический и социальный.

Биологический уровень включает:

· доклеточный уровень (белки и нуклеиновые кислоты);

· клетку как "кирпичик" живого и одноклеточные организмы;

· многоклеточный организм, его органы и ткани;

· популяцию – совокупность особей одного вида, занимающих определенную территорию, свободно скрещивающихся между собой и частично или полностью изолированных от других групп своего вида;

· биоценоз – совокупность популяций, при которой продукты жизнедеятельности одних являются условиями существования других организмов, населяющих определенный участок суши или воды;

· биосферу – живое вещество планеты (совокупность всех живых организмов, включая человека).

На определенном этапе развития жизни на Земле возник разум, благодаря которому появился социальный структурный уровень материи. На этом уровне выделяются: индивид, семья, коллектив, социальная группа, класс и нация, государство, цивилизация, человечество в целом.

По другому критерию – масштабам представления – в естествознании выделяют три основных структурных уровня материи:

· микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 секунды;

· макромир – мир макрообъектов, соизмеримых с человеком и его опытом. Пространственные величины макрообъектов выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах (10-6–107 см), а время – в секундах, минутах, часах, годах, веках;

· мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояния в котором измеряются астрономическими единицами, световыми годами и парсеками (до 1028 см), а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет.