V. Структурные уровни организации материи

Важнейшими атрибутами (существенными свойствами) материи являются структурность и системность. Они выражают упорядоченность существования материи и конкретные формы, в которых она проявляется. В неживой природе выделяют следующие структурные уровни организации материи:

• вакуум (поля с минимальной энергией);

• поля и элементарные частицы;

• атомы;

• молекулы;

• макроскопические тела;

• планеты и планетные системы;

• звезды и звездные системы;

• галактики;

• Метагалактика;

• Вселенная.

Традиционно эти уровни сводят к трем основным уровням:

• 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;

• мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет.

Рационалистическое мировоззрение предполагает, что любое событие имеет причину и эта причина материальна. Поэтому любая программа объяснения окружающего мира включает в себя представление о механизме взаимодействия материальных объектов. Исторически сложилось два подхода:

1. Концепция дальнодействия предполагает, что взаимодействие материальных тел не требует материального посредника и может передаваться мгновенно. Например, в рамках механической картины мира подобным образом объяснялись электрические и магнитные явления.

2. Концепция близкодействия предполагает, что взаимодействие возможно только при непосредственном контакте взаимодействующих объектов, а любое действие на расстоянии должно происходить через материальных посредников. Хотя эта концепция берет свое начало от Аристотеля, всеобщее признание она получила после формирования электродинамики (Максвелл, Фарадей), прежде всего благодаря введению понятия «поля».

Так как возмущение поля (волна) может одновременно рассматриваться как совокупность частиц (квантов поля), то взаимодействие, переносимое полем, можно представлять как процесс обмена квантами поля между взаимодействующими телами. Кванты, которыми обмениваются взаимодействующие тела, представляют собой виртуальные частицы, т.е. в отличие от реальных частиц, обнаружить их во время существования невозможно.

Известны четыре основных физических взаимодействия, определяющих структуру всего окружающего мира:

• сильные взаимодействия происходят на уровне атомных ядер и представляют собой взаимное притяжение их составных частей, действующее на расстоянии 10^-13 см;

• электромагнитное взаимодействие в 100 – 1000 раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. При нем происходит испускание о поглощение фотонов;

• слабые взаимодействия слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного. За счет слабого взаимодействия светит солнце. При слабых взаимодействиях меняется заряд частиц;

• гравитационные взаимодействия. Самое слабое из всех известных. Например, оно слабее силы взаимодействия электрических зарядов в 10⁴⁰ раз. Однако эта сила определяет строение всей Вселенной: образование всех космических систем, существование планет, звезд, галактик, их циклы развития.

В рамках микромира выделяют следующие классы элементарных частиц. В зависимости от массы покоя:

• не имеющие массу покоя. Фотоны, движущиеся со скоростью света;

• лептоны – легкие частицы. К ним относятся электрон и нейтрино;

• мезоны – средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;

• барионы – тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона. К ним относятся протоны, нейтроны, гипероны.

В зависимости от заряда могут быть отрицательными, положительными либо нулевыми. Должны существовать также частицы с дробным электрическим зарядом – кварки.

В зависимости от времени существования выделяют стабильные частицы – фотон, электрон, протон, нейтрино. Все остальные нестабильные, они существуют 10^-10 – 10^-24 с. Самые короткоживущие частицы называются резонансами.

В зависимости от типа взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, они подразделяются:

• на лептоны, участвующие в электромагнитном и слабом взаимодействиях;

• адроны, участвующие также и в сильном взаимодействии;

• частицы – переносчики взаимодействий. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон, гравитационного – гравитон, слабого – три тяжелых бозона, сильного – глюоны.

Не менее серьезным достижениям физика обязана исследованию материи на молекулярном уровне. В XIX в. формируется молекулярно-кинетическая теория, которая впервые показала несостоятельность механического детерминизма и плодотворность статистического, вероятностного подхода в отношении многочастичных систем. В XX в. выяснилось, что хаотическим непредсказуемым поведением могут обладать и системы из микро-, макро- и мегамиров. Ситуация, когда поведение простой материальной системы невозможно предсказать из-за ее чувствительности к слабому изменению начальных условий, называется динамическим хаосом. Хаос отличают от беспорядка. Беспорядочным называют поведение, определяемое постоянно действующими факторами, которые мы не можем или не хотим учитывать. Например, броуновское движение частицы в жидкости – беспорядочно. Хаотическое же поведение возникает, когда все определяющие факторы известны, но воспользоваться этим знанием нельзя из-за чрезвычайной чувствительности расчетов к ошибкам. (Например, поведение земной атмосферы).

Наиболее фундаментальные законы физики – это, как правило, законы сохранения той или иной физической величины (энергии, импульса, электрического заряда и т.д.). Сохранение, постоянство чего-либо означает эквивалентность прошлого и будущего, их полную симметричность. В классической физике только такие законы имели право на существование. Например, первое начало (закон) термодинамики – закон сохранения энергии утверждает, что изменение внутренней энергии тела равно получаемой энергии за вычетом работы, совершаемой телом.

В середине XIX в. был открыт второй закон (начало) термодинамики, который утверждает о невозможности сохранения определенной физической величины. В другой формулировке: существует физическая величина – энтропия, которая в замкнутой системе с течением времени может только возрастать. Следствием этого закона можно считать утверждение о направленности времени. Л. Больцман предложил формулу для определения энтропии системы молекул:

S = k lnW,

где S – энтропия системы молекул, k – коэффициент пропорциональности (постоянная Больцмана), W – статистический вес данного макроскопического состояния системы. Статистический вес – это число способов, которым можно реализовать данное макроскопическое состояние системы.

Получение веществ с заданными свойствами и выявление способов управления свойствами веществ относят к задачам, стоящим перед современной химией («основная двуединая проблема химии»). В истории самой химии выделяют четыре последовательно сменяющих друг друга этапа:

• середина XX века – эволюционная химия;

• XX век – учение о химических процессах;

• XIX век – структурная химия;

• XVII век – учение о составе вещества.

В системе химии они являются подсистемами, так же как сама химия представляет собой подсистему естествознания.

Концепция химического элемента появилась в химии благодаря стремлению человека обнаружить первый элемент природы. Р. Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в другое. Наиболее полные выводы из этой концепции были сделаны Д. И. Менделеевым, доказавшим, что свойства химического элемента зависят от его места в периодической системе. Сам Менделеев определял это место по атомной массе, но в XX в. было выяснено, что порядковый номер элемента зависит не от атомной массы, а от заряда атомного ядра и количества электронов. Сегодня выяснены особенности строения электронных орбиталей атомов всех элементов и особая роль внешнего электронного уровня атома, от количества электронов которых зависит реакционная способность элемента – химическая активность вещества. Она учитывает как разнообразие реакций, возможных для данного вещества, так и их скорость. Наиболее активными с химической точки зрения являются элементы, имеющие минимальную атомную массу и 6-7 электронов на внешнем электронном уровне (фтор, хлор, кислород). Также большой реакционной способностью отличаются металлы, обладающие большой атомной массой и имеющие 1-2 электрона на внешнем электронном уровне (барий, цезий).