Структурные уровни организации материи: концепции микро-, макро- и мегамиров

Структурные уровни организации материи: концепции микро-, макро- и мегамиров

1.ВВЕДЕНИЕ

Естественные науки, начав изучение материального мира с наиболее простых

непосредственно воспринимаемых человеком материальных объектов, переходят

далее к изучению сложнейших объектов глубинных структур материи, выходящих

за пределы человеческого восприятия и несоизмеримых с объектами

повседневного опыта. Применяя системный подход, естествознание не просто

выделяет типы материальных систем, а раскрывает их связь и соотношение.

В науке выделяются три уровня строения материи:

. Макромир мир макрообъектов, размерность которых соотносима с

масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются

в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах,

минутах, часах, годах.

. Микромир — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых

микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от

десяти в минус восьмой степени до десяти в минус шестнадцатой

степени см, а время жизни - от бесконечности до десяти в минус

двадцать четвертой степени сек.

. Мегамир — мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние

в котором измеряется световыми годами, а время существования

космических объектов — миллионами и миллиардами лет.

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-

, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.

2.МАКРОМИР: концепции классического естествознания.

В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный.

Донаучный, или натурфилософский, охватываем период oт античности до

становления экспериментального естествознания в XVI—XVI1 вв. В этот период

учения о природе носили чисто натурфилософский характер, наблюдаемые

природные явления объяснялись на основе умозрительных философских

принципов.

Наиболее значимой для последующего развития естественных наук была

концепция дискретного строения материи — атомизм, согласно которому все

тела состоят из атомов — мельчайших в мире частиц.

Античный атомизм был первой теоретической программой объяснения целого

как суммы отдельных составляющих его частей. Исходными началами в атомизме

выступали атомы и пустота. Сущность протекания природных процессов

объяснилась на основе механического взаимодействия атомов, их притяжения и

отталкивания. Механическая программа описания природы, впервые выдвинутая в

античном атомизме, наиболее полно реализовалась в классической механике, со

становления которой начинается научный этап изучения природы.

Поскольку современные научные представления о структурных уровнях

организации материи были выработаны в ходе критического переосмысления

представлений классической науки, применимых только к объектам макроуровня,

то начинать исследование нужно с концепций классической физики.

Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI в.,

когда Г. Галилеем была заложена основа первой в истории науки физической

картины мира — механической. Он не просто обосновал гелиоцентрическую

систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методологию

нового способа описания природы — научно-теоретического. Суть его

заключалась в том, что выделялись только некоторые физические и

геометрические характеристики, которые становились предметом научного

исследования. Выделение отдельных характеристик объекта позволяло строить

теоретические модели и проверять их в условиях научного эксперимента. Эта

методологическая концепция, впервые сформулированная Галилеем в труде

"Пробирные весы", оказала решающее влияние на становление классического

естествознания.

И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию

механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов

одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая

система.

В рамках механической картины мира, разработанной И. Ньютоном и его

последователями, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности

Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных

частиц — атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы,

непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса. Существенной

характеристикой ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовой

геометрии, которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время

представлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от

материи.

Философское обоснование механическому пониманию природы дал Р. Декарт с

его концепцией абсолютной дуальности (независимости) мышления и материи, из

которой следовало, что мир можно описать совершенно объективно, без учета

человека-наблюдателя. Это убеждение, глубоко созвучное взглядам Ньютона, на

десятилетия вперед определило направленность развития естественных наук.

Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского и

полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой

цепь взаимозависимых причин и следствий. Отсюда и вера в то, что

теоретически можно точно реконструировать любую прошлую ситуацию во

Вселенной или предсказать будущее с абсолютной определенностью.

И.Р.Пригожин назвал эту веру в безграничную предсказуемость

"основополагающим мифом классической науки".

Механистический подход к описанию природы оказался необычайно

плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика,

теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая

теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных

успехов. Однако были две области — оптических и электромагнитных явлений,

которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины

мира.

Разрабатывая оптику, И. Ньютон, следуя логике своего учения, считал свет

потоком материальных частиц — корпускул. В корпускулярной теории света И.

Ньютона утверждалось, что светящиеся тела излучают мельчайшие частицы,

которые движутся в согласии с законами механики и вызывают ощущение света,

попадая в глаз. На базе этой теории И. Ньютоном было дано объяснение

законам отражения и преломления света.

Наряду с механической корпускулярной теорией, осуществлялись попытки

объяснить оптические явления принципиально иным путем, а именно на основе

волновой теории, сформулированной X.Гюйгенсом. Волновая теория

устанавливала аналогию между распространением света и движением волн на

поверхности воды или звуковых волн в воздухе. В ней предполагалось наличие

упругой среды, заполняющей все пространство, светоносного эфира

Распространение света рассматривалось как распространение колебаний эфира,

каждая отдельная точка эфира колеблется в вертикальном направлении, а

колебания всех точек создают картину волны, которая перемещается в

пространстве от одного момента времени к другому. Главным аргументом в

пользу своей теории X. Гюйгенс считал тот факт, что два луча света,

пересекаясь, пронизывают друг друга без каких-либо помех в точности, как

два ряда волн на воде.

Согласно же корпускулярной теории, между пучками изученных частиц,

каковыми является свет, возникали бы столкновения или, по крайней мере,

какие-либо возмущения. Исходя из волновой теории X. Гюйгенс успешно

объяснил отражение и преломление света.

Однако против нее существовало одно важное возражение. Как известно,

волны обтекают препятствия. А луч света, распространяясь по прямой,

обтекать препятствия не может. Если на пути луча света поместить

непрозрачное тело с резкой гранью, то его тень будет иметь резкую границу.

Однако эго возражение вскоре было снято благодаря опытам Гримальди. При

более тонком наблюдении с использованием увеличительных линз

обнаруживалось, что на границах резких теней можно видеть слабые участки

освещенности в форме перемежающихся светлых и темных полосок или ореолов.

Это явление было названо дифракцией света. Именно открытие дифракции

сделало X. Гюйгенса ревностным сторонником волновой теории света. Однако

авторитет И. Ньютона был настолько высок, что корпускулярная теория

воспринималась безоговорочно даже несмотря на то, что на ее основе нельзя

было объяснить явление дифракции

Волновая теория света была вновь выдвинута в первые десятилетия XIX в.

английским физиком Т. Юнгом и французским естествоиспытателем О.Ж.

Френелем. Т.Юнг дал объяснение явлению интерференции, т.е. появлению темных

полосок при наложении света на свет. Суть ее можно описать с помощью

парадоксального утверждения, свет, добавленный к свету, не обязательно дает

более сильный свет, но может давать более слабый и даже темноту. Причина

этого заключается в том, что согласно волновой теории, свет представляет

собой не поток материальных частиц, а колебания упругой среды среды, или

волновое движение. При наложении друг на друга цепочек волн в

противоположных фазах, где гребень одной волны совмещается со впадиной

другой, они уничтожают друг друга, в результате чего появляются темные

полосы.

Другой областью физики, где механические модели оказались неадекватными,

была область электромагнитных явлений. Эксперименты английского

естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика

Дж.К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о

дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало

электромагнитной картине мира.

Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспытатель Х.К. Эрстед,

который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая

исследования в этом направлении, М.Фарадей обнаружил, что временное

изменение в магнитных полях создает электрический ток. Осмысливая свои

эксперименты, он ввел понятие "силовые линии". М.Фарадей, обладавший

талантом экспериментатора и богатым воображением, с классической ясностью

представлял себе действие электрических сил от точки к точке в их "силовом

поле". На основе своего представления о силовых линиях он предположил, что

существует глубокое родство электричества и света, и хотел построить и

экспериментально обосновать новую оптику, в которой свет рассматривался бы

как колебания силового поля. Эта мысль была необычайно смела для того

времени, но она была достойна исследователя, который считал, что только тот

находит великое, кто исследует маловероятное.

Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика

взаимосвязаны и образуют единую пунктом исследований Дж.К. Максвелла,

заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о

магнетизме и электричестве. Используя высокоразвитые математические методы,

Максвелл "перевел" модель силовых линий Фарадея в математическую формулу.

Понятие "поле сил" первоначально складывалось как вспомогательное

математическое понятие. Дж.К. Максвелл придал ему физический смысл и стал

рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность.

"Электромагнитное поле — это та часть пространства, которая содержит в себе

и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии"1.

Обобщив установленные ранее экспериментальным путем законы электромагнитных

явлений (Кулона, Ампера, Био-Савара) и открытое М. Фарадеем явление

электромагнитной индукции, Максвелл чисто математическим путем нашел

систему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле. Эта

система уравнений дает в пределах своей применимости полное описание

электромагнитных явлений и представляет собой столь же совершенную и

логически стройную теорию, как и система ньютоновской механики.

Из уравнений следовал важнейший вывод о возможности самостоятельного

существования поля, не "привязанного" к электрическим зарядам. В

дифференциальных уравнениях Максвелла вихри электрического и магнитного

полей определяются производными по времени не от своих, а от чужих полей:

электрическое — от магнитного и, наоборот, магнитное — от электрического.

Поэтому если меняется со временем магнитное поле, то существует и

переменное электрическое поле, которое в свою очередь ведет к изменению

магнитного поля. В результате происходит постоянное изменение векторов

напряженности электрического и магнитного полей, т.е. возникает переменное

электромагнитное поле, которое уже не привязано к заряду, а отрывается от

него, самостоятельно существуя и распространяясь в пространстве.

Вычисленная им скорость распространения электромагнитного поля оказалась

равна скорости света. А исходя из этого Максвелл смог заключить, что

световые волны представляют собой электромагнитные волны. Единая сущность

света и электричества, которую М. Фарадей предположил в 1845 г., а Дж.К.

Максвелл теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментально

подтверждена немецким физиком Г. Герцом в 1888 г.

В экспериментах Г. Герца в результате искровых разрядов между двумя

заряженными шарами появлялись электромагнитные волны. Когда они падали на

круговой проволочный виток, то создавали в нем токи, о появлении которых

свидетельствовали искры, проскакивающие через разрыв. Г. Герц успешно

провел отражение этих волн и их интерференцию, т.е. те явления, которые

характерны для световых волн, а затем измерил длину Максвелла.

После экспериментов Г. Герца в физике окончательно электромагнитных

волн. Зная частоту колебаний, он смог подсчитать скорость распространения

электромагнитных волн, которая оказалась равна скорости света. Это прямо

подтвердило гипотезу утвердилось понятие поля не в качестве вспомогательной

математической конструкции, а как объективно существующей физической

реальности. Был открыт качественно новый, своеобразный вид материи.

Итак, к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в

двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.

• Вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности:

вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно.

• Вещество и поле различаются по своим физическим характеристикам:

частицы вещества обладают массой покоя, а поле — нет.

• Вещество и поле различаются по степени проницаемости: вещество мало

проницаемо, а поле, наоборот, полностью проницаемо.

• Скорость распространения поля равна скорости спета, а скорость движения

частиц вещества меньше ее на много порядков.

В результате революционных открытий в физике в конце прошлого и начале

нынешнего столетий обнаружилось, что физическая реальность едина и нет

пропасти между веществом и полем: поле, подобно веществу, обладает

корпускулярными свойствами, а частицы вещества, подобно полю, — волновыми.

.

3.МИКРОМИР: концепции современной физики.

1)Фундаментальные открытия в области физики

конца 19-начала 20 вв.

В конце XIX — начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира,

для описания которого концептуальные построения классической физики

оказались непригодными.

В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах

как о последних неделимых структурных элементах материи.

История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию

Дж. Дж. Томсоном электрона — отрицательно заряженной частицы, входящей в

состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в

целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии

помимо электрона и положительно заряженной частицы. Опыты английского

физика Э. Резерфорда с альфа-частицами привели его к выводу о том, что в

атомах существуют ядра — положительно заряженные микрочастицы, размер

которых (10~12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10~8 см),

но в которых почти полностью сосредоточена масса атомов.

Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращаться

в атомы других в результате радиоактивности, впервые открытой

французским физиком А. А. Беккерелем Явление радиоактивности, окончательно

опровергнувшее представление о неделимости и непревращаемости атома,

заключается в самопроизвольном превращении неустойчивых ядер атомов

радиоактивных элементов в результате ядерных излучений.

Вопросы радиоактивности различных элементов изучались французскими

физиками Пьером и Марией Кюри. Ими были открыты новые элементы — полоний и

радий, а также установлено, что в результате радиоактивного излучения атом

радиоактивного элемента превращается в атом другого элемента Открытие

сложной структуры атома стало крупнейшим событием в физике, поскольку

оказались опровергнутыми представления классической физики об атомах как

твердых и неделимых структурных единицах вещества.

2)Рождение и развитие представлений о квантах.

При переходе к исследованию микромира оказались

разрушенными и представления классической физики о веществе и поле как двух

качественно своеобразных видах материи. Изучая микрочастицы, ученые

столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией,

одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные

свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Плавком. В

процессе работы по исследованию теплового излучения, которую М. Планк

назвал самой тяжелой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том,

что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не

непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях —

квантах. Сумма энергий этих мельчайших порций энергии — квантов

определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и

универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под

символом h. E = Ну, ставшим впоследствии знаменитым (где hy — квант

энергии, у — частота).

Если введение кванта еще не создало настоящей квантовой теории, как

неоднократно подчеркивал М Планк, то все же 14 декабря 1900 г., в день

опубликования формулы, был заложен ее фундамент. Поэтому в истории физики

этот день считается днем рождения квантовой теории. А поскольку понятие

элементарного кванта действия служило в дальнейшем основой для понимания

всех свойств атомной оболочки и атомного ядра, то 14 декабря 1900 г.

следует рассматривать как день рождения всей атомной физики и

начало новой эры естествознания.

Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного

кванта действия и творчески развил его был А. Эйнштейн. В 1905 г. он

перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при

тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое

учение о свете. А. Эйнштейн предположил, что речь идет о естественной

закономерности всеобщего характера. Не оглядываясь на господствующие в

оптике взгляды, он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что

следует признать корпускулярную структуру света.

Квантовая теория света, или фотонная теория А.Эйнштейна, утверждала, что

свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое

явление. И вместе с тем световая энергия, чтобы быть физически действенной,

концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывную

структуру.

Эйнштейновское представление о световых квантах помогло понять и наглядно

представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в

выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн.

Эксперименты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта определяется

не интенсивностью падающей волны, а ее частотой. Если предположить, что

каждый электрон вырывается одним фотоном, то становится ясно следующее:

эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и

его частота достаточно велика для преодоления сил связи электрона с

веществом.

Правильность такого толкования фотоэлектрического эффекта (за эту работу

Страницы: 1, 2