Типы движения материи

Существует два основных типа движения:

• количественный

• качественный.

Количественные изменения связаны с переносом материи и энергии в пространстве, т.е. это движение, когда сохраняется качество предмета. Качественные изменения связаны с перестройкой внутренней структуры объектов и превращением их в новые объекты, обладающими новыми свойствами, т.е. это может быть разрушение предмета, распад его на составляющие элементы, которые представляют собой новые особые качества.

Качественное движение в свою очередь разделяется на две разновидности:

• динамическое

• популяционное.

Динамическое движение связано с сохранением устойчивости объекта, его качества: качественные превращения не выходят за рамки существующего вида материи, определенного уровня её организации. К динамическому движению относятся процессы, при которых происходит усложнение объектов Природы. При этом, появляются более сложные состояния из более простых. В результате развиваются потенциальные возможности, скрытые в предшествующих качественных состояниях. В неживой природе ярким примером динамического развития может служить эволюция звезд. В живой природе – это последовательное развитие в рамках уже сформировавшегося уровня организации материи.

В ходе эволюции гоминид обезьяна превратилась в человека, ребенок в большинстве случаев превращается в разумного взрослого, карета трансформировалась в автомобиль, счеты – в вычислительную машину и т.д.

Кроме того, смена качества, может быть:

• обратимой (вода – лед – вода; день – ночь – день и др.),

• необратимой (яйцо – личинка – куколка – взрослое насекомое, имаго). Последний вид изменений называется развитием.

Таким образом, развитие – это необратимое качественное изменение. Принято считать, что оно бывает прогрессивным, т.е. протекающим с нарастанием сложности и упорядоченности объекта, и регрессивным, означающим деградацию объекта, его распад, гибель и пр.

Популяционное движение – связано с переходом от качественных состояний, характерных для одного уровня материи, к качественному состоянию другого уровня организации материи. Формирование из элементарных частиц атомов и молекул, переход от неживой природы к биологическим уровням организации, возникновение человека, социума – примеры качественных изменений, сопровождающихся появлением новых видов материи.

13. Развитие представлений о взаимодействии

Способность к взаимодействию – важнейшее и неотъем­лемое свойство материи. Именно взаимодействия обеспе­чивают объединение различных материальных объектов мега-, макро- и микромира в системы. Все известные со­временной науке силы сводятся к четырем типам взаимо­действий, которые называются фундаментальными:

1) грави­тационное;

2) электромагнитное;

3) слабое;

4) сильное.

Гравитационное взаимодействие впервые стало объек­том изучения физики в XVII веке. Теория гравитации И. Нью­тона, основу которой составляет закон всемирного тяготе­ния, стала одной из составляющих классической механики. Закон всемирного тяготения гласит: между двумя телами существует сила притяжения, прямо пропорциональная про­изведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Любая материальная частица является источником гравитационного воздействия и испы­тывает его на себе. По мере увеличения массы гравитаци­онные взаимодействия возрастают, т.е. чем больше масса взаимодействующих веществ, тем сильнее действуют гра­витационные силы. Силы гравитации – это силы притя­жения.

Гравитационное взаимодействие – наиболее сла­бое. Гравитационная сила действует на очень больших расстояниях, ее интенсивность с увели­чением расстояния убывает, но не исчезает полностью. Счи­тается, что переносчиком гравитационного взаимодействия является гипотетическая частица гравитон. В микромире гравитационное взаимодействие не играет существенной роли, однако в макро- и особенно мегапроцессах ему при­надлежит ведущая роль.

Электромагнитное взаимодействие стало предметом изу­чения в физике XIX в. Первой единой теорией электро­магнитного поля выступила концепция Дж. Максвелла. В отличие от гравитационной силы электромагнитные вза­имодействия существуют только между заряженными час­тицами: электрическое поле – между двумя покоящимися заряженными частицами, магнитное – между двумя дви­жущимися заряженными частицами. Электромагнитные силы могут быть как силами притяжения, так и силами от­талкивания. Одноименно заряженные частицы отталкива­ются, разноименно – притягиваются. Переносчиками этого типа взаимодействия являются фотоны. Электромагнитное взаимодействие проявляется в микро-, макро- и мегамире.

В середине XX в. была создана квантовая электроди­намика – теория электромагнитного взаимодействия, ко­торая удовлетворяла основным принципам квантовой теории и теории относительности. Квантовая электродинамика описывает взаимодействие заряженных частиц – электронов и по­зитронов.

Томонага С. (1906–1979)	Фейнман Р.Ф. (1918–1988)	Швингер Дж.С. (1918–1994)

В 1965 г. ее авторы Томонага Синъитиро, японский физик-теоретик, один из основателей квантовой электродинамики, Фейнман Ри́чард Фи́ллипс, американский физик-теоретик, один из создателей атомной бомбы в США, один из основателей квантовой электродинамики и Швингер Джулиан Сеймур, американский физик-теоретик, один из основоположников квантовой электродинамики были удостоены Нобе­левской премии.

Слабое взаимодействие было открыто лишь XX в. Слабое взаимодействие связано с распадом частиц, поэтому его открытие последовало только вслед за откры­тием радиоактивности. При наблюдении радиоактивного распада частиц обнаружились явления, которые, казалось бы, противоречили закону сохранения энергии. Дело в том, что в процессе распада часть энергии «исчезала». Швейцарский физик-теоретик Паули Вольфган, лауреат Нобелевской премии (1945), один из создателей квантовой механики и релятивистской квантовой теории поля предположил, что в процессе радиоактивного рас­пада вещества вместе с электроном выделяется частица, обладающая высокой проникающей способностью. Позже эта частица была названа «нейтрино». Оказалось, что в результате слабых взаимодействий нейтроны, входящие в со­став атомного ядра, распадаются на три типа частиц: поло­жительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные нейтрино. В 1960-е годы была построена общая теория слабого взаимодей­ствия.

Паули В. (1900–1958)	Вайнберг С. (р. 1933)	Глэшоу С. (р. 1932)

Слабое взаимодей­ствие значительно меньше электромагнитного, но больше гравитационного, и в отличие от них распространяется на небольших расстояниях – не более 10^-22 см. Именно по­этому долгое время слабое взаимодействие эксперименталь­но не наблюдалось. Переносчиками слабого взаимодействия являются бозоны.

В 1970-е гг. была создана общая теория электромаг­нитного и слабого взаимодействия, получившая название теории электрослабого взаимодействия. Ее создатели Вайнберг С, американский физик, один из создателей единой теории поля, А. Салам, пакистанский физик, один из создателей квантовой электродинамики, теории элементарных частиц, теории гравитации и Глэшоу С, в 1979 г. получили Но­белевскую премию.

Теория электрослабого взаимодействия рассматривает два типа фундаментальных взаимодействий как проявления единого, более глубокого. Так, на расстоя­ниях более 10^-17 см преобладает электромагнитный аспект явлений. На меньших расстояниях в одинаковой степени важ­ны и электромагнитный, и слабый аспекты. Создание рас­сматриваемой теории означало, что объединенные в класси­ческой физике XIX века, в рамках теории Фарадея-Максвелла, электричество, магнетизм и свет в последней трети XX в. до­полнились феноменом слабого взаимодействия.

Сильное взаимодействие также было открыто только в XX в. Оно удерживает протоны в ядре атома, не позволяя им разлететься под действием электромагнитных сил отталкива­ния. Сильное взаимодействие осуществляется на расстояниях не более чем 10^-13 см и отвечает за устойчивость ядер. Ядра элементов, находящихся в конце таблицы Д.И. Менделеева, не­устойчивы, поскольку их радиус велик и, соответственно, сильное взаимодействие теряет свою интенсивность.

Такие ядра подвержены распаду, который и называется радиоакти­вным. Сильное взаимодействие ответственно за образование атомных ядер, в нем участвуют только тяжелые частицы: протоны и нейтроны. Ядерные взаимодействия не зависят от заряда частиц, переносчиками этого типа взаимодействий являются глюоны – гипотетическая электрически нейтральная частица с нулевой массой и спином, равным 1, переносящая сильное ядерное взаимодействие. Глюоны «склеивают» кварки в адроны при переносе сильного взаимодействия. Глюоны объединены в глюонное поле (по аналогии с электромагнитным), благодаря которому и осуще­ствляется сильное взаимодействие. По своей мощи сильное взаимодействие превосходит другие известные и является ис­точником огромной энергии. Примером сильного взаимодействия выступают термоядерные реакции на Солнце и других звездах. Принцип сильного взаимодействия использован при создании водородного оружия. Сравнительная характеристика четырех видов взаимодействий дана в табл. 1.

Таблица 1