Темы докладов и рефератов

1. Научные традиции и новаторство в науке.

2. Проблема типологии научных революций.

3. Взаимосвязь научных и технических революций.

4. Социокультурные предпосылки глобальных научных революций.

5. НТР и научно-технический прогресс.

6. Особенности второго, современного этапа НТР.

7. Научные революции и типы рациональности.

РАЗДЕЛIVСОВРЕМЕННЫЕ НАУЧНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МАТЕРИАЛЬНЫХ ОСНОВАХ ПРИРОДЫ

Глава 14

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ МАТЕРИИ И ТИПЫ МАТЕРИАЛЬНЫХ СИСТЕМ

Представления о микро-, макро- и мегамирах

Какого бы взгляда ни придерживаться относительно строения материи, не подлежит сомнению, что она расчленена на ряд больших, хорошо отграниченных групп (Ф. Энгельс). С этими словами трудно не согласиться. Все материальные объекты обладают внутренне упорядоченной, системной организацией. Истоки идеи структурности материи отнесены к античной философии и, в частности, к атомистике Демокрита, Эпикура, Лукреция Кара. Сама идея оказывала чрезвычайно стимулирующее воздействие на развитие естествознания. В современной философии она оформилась в достаточно объемную и научно обоснованную концепцию системной организации материи. В последней обычно выделяют три структурных уровня материи:

- мегамир – мир космоса (планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики);

- макромир – мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин (куда входят также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов);

- микромир – мир атомов и элементарных частиц, где не применен принцип «состоит из».

Трудно установить точную качественную границу демаркации уровней. Она не всегда фиксируются наукой. «Электрон также неисчерпаем как и атом» (В.И. Ленин). Говоря о структурных уровнях материи, называют также субэлементарный, микроэлементарный, ядерный, атомный, молекулярный, макроскопический и космический.

На микроскопическом конце шкалы физика занимается изучением процессов, разыгрывающихся на длинах порядка 10^-15 см за время порядка 10^-22. На другом конце шкалы в мегамире космология изучает процессы, происходящие за время порядка 10¹⁰ (возраст Вселенной). Методологи оценивают идею структурных уровней материи очень высоко наряду с идеей причинности и познаваемости.

Строение атома долгое время рассматривается по аналогии с Солнечной системой. С точки зрения современной науки необходимо выделять нуклонный уровень, где нуклон – это ядро атома. Атом представляет собой единую квантово-механическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

– Атомы состоят из протонов, нейтронов (известных под общим названием барионов) и одного члена семейства лептонов – электрона. Протоны и нейтроны состоят из кварков (предельных частиц). Известно 6 кварков и 6 лептонов.

– Атомное ядро представляет центральную часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и весь его положительный заряд.

– Ядро атома называется «нуклон», оно состоит из протона и нейтрона.

– Протоны представляют собой элементарные частицы, которые являются ядрами атомов водорода. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе химических элементов и обозначается Z (число нейтронов – N). Протон несет элементарный положительный заряд. Он в 1836,1 раз тяжелее электрона; его размеры 10^-13 см. Протон состоит из двух и-кварков с зарядом 0= +2/3 и одного d-кварка с 0= -1/3, связанных глюонным полем.

– Нейтроны состоят из одного u-кварка и двух d-кварков. Электрический заряд его равен 0, масса ≈ 940 МэВ. Нейтрон стабилен в атомных ядрах. Свободный нейтрон распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино. Нейтрон, как и протон, участвует во всех видах взаимодействий.

– В ядре нуклоны связаны ядерными силами, которые на расстояниях порядка 10^-15 м превышают любые другие силы, вследствие чего одноименно заряженные протоны не разлетаются под воздействием электростатического отталкивания.

– Размеры ядер атомов всех элементов порядка 10^-15 – 10^-14 м. Эта величина в десятки тысяч раз меньше размеров атома.

Электрон – отрицательно заряженная субатомная частица, обнаруживаемая за пределами атомного ядра. Входит в состав всех атомов. Масса 1/1836 части массы протона.

– Каждой частице соответствует античастица кроме фотона.

– Элементарные частицы обладают следующими качествами: неразличимость элементарных частиц определенного типа; превращаемость, распад элементарных частиц; электрический заряд; спин; масса.

Атомный уровень. Ядро атома заряжено положительно, а вращающиеся вокруг ядра электроны несут с собой отрицательный электрический заряд, который никогда не бывает меньше строго определенной величины, называемой элементарным электрическим зарядом (е ≈1,6 x 10^-19 Кл). Положительный заряд ядра атома равен сумме отрицательных зарядов электронов, находящихся в электронной оболочке атома. Поэтому в нормальном состоянии атом электрически нейтрален.

– Размеры атомов порядка 10^-10 м.

– Электроны на своих орбитах удерживаются силами электрического притяжения между ними и ядром атома. Каждый из электронов обладает определенным запасом энергии; чем дальше электрон находится от ядра, тем большей энергией он обладает.

Молекулярный уровень. Молекула – это наименьшая структурная единица вещества, обладающая его главными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями.

– Номер химического элемента в Периодической таблице Менделеева определяется количеством протонов в ядре, электрическим зарядом ядра;

– Одноатомные молекулы (атомы инертных газов: Не – гелий, Ne – неон, Аг – аргон. Кг – криптон и др.);

– Двухатомные молекулы (молекулы, состоящие из парных атомов: Н₂, N₂, 0₂, F₂, Сl₂, Вr₂, I₂);

– Химический элемент и атом – мельчайшие структурные единицы на химическом уровне;

– Макромолекулы (молекулы, состоящие из тысяч и более одинаковых или близких по строению групп атомов: белки, искусственные полимеры, некоторые витамины, целлюлоза и т.п.).

– Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов (H₂, N₂, 0₂; и др.).

– Молекулы сложных веществ состоят из разных атомов (H₂O, NaCl, H₂S0₄ и т.п.);

– Химическое соединение – это качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы – молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты (системы).

– Химические элементы в таблице Менделеева располагаются в порядке возрастания их массы, заполнения электронных оболочек атомов. Химические элементы с высокой химической активностью расположены в таблице Менделеева в столбцах с номером 1, 2, 3, 6, 7. Химические элементы с минимальной химической активностью находятся в таблице Менделеева в столбце с номером 8. Периодическая таблица фиксирует более ста известных элементов.

– Энергия химической связи атомов в молекулах определяется строением электронных оболочек атома, энергией электронно-ионного взаимодействия¹.

В эволюционной эпистемологии внимание привлечено к специфической макроразмерности человеческого мира – меццокосмоса/мезокосмоса (в отличие от мега- и микромира). Человек живет в мире средних размеров, относительно небольших пространств, скоростей, длин электромагнитных волн. Органическая среда обитания человека нуждается в своем описании в естественном языке, связанном с повседневным опытом².

И хоть классификация структурных уровней универсума основана на принципе линейной иерархии, нельзя, однако, думать, что какой-либо из миров проще, а другой – сложнее. Миры не соотносятся как части и целое, они являют собой специфические, глубинные измерения универсума.

Чтобы убедиться в сложности каждого из миров, приведем простой пример. Возьмем ряд натуральных чисел 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -...n, из этого множества выделим подмножество-ряд четных чисел 2 4 6 8 10 12 14... n.

Первоначально кажется, что ряд четных чисел всего лишь часть целого – ряда натуральных чисел, но сопоставим их. Ряд четных чисел так же бесконечен, как и ряд натуральных. Следовательно, здесь часть тождественна целому.

Более того, все эксперименты, проводимые в микромире, приводят к удивительным результатам. Можно сказать, что микромир изначально парадоксален. После соударения двух элементарных частиц никаких меньших элементарных частиц не образуется. Возникают частицы того же класса, что и соударяемые, т.е. элементарные. Например, после столкновения двух протонов возникает много других элементарных частиц – в том числе и протонов, мезонов, гиперонов. Феномен «множественного рождения частиц» Гейзенберг объяснил следующим образом. При соударении элементарных частиц большая кинетическая энергия превращается в вещество, в появляющиеся частицы, и мы наблюдаем этакое множественное рождение частиц. Если около пятидесяти лет назад было известно всего лишь три типа элементарных частиц (электрон и протон как мельчайшие элементы вещества, а фотон как минимальная порция энергии), то сейчас открыто более 200 элементарных частиц. Но если для выявления структуры обычных объектов подходит формула «состоит из» (каких-то меньших элементов), то для характеристики микромира она не приемлема.

Другой парадоксальный эффект микромира связан с двойственной природой микрочастицы, с тем, что она одновременно представляет собой корпускулу и волну. Поэтому такую частицу невозможно локализовать строго однозначно в пространстве и во времени. Эта особенность отражена в принципе соотношения неопределенностей Гейзенберга. Квантовая механика создана в 1924–1925 гг. Гейзенбергом, Шредингером и Дираком. Копенгагенская школа утверждает, что свойства электрона фактически порождаются процедурами взаимодействия с измерительным прибором.