Шпаргалка по концепциям современного естествознания - А. Скорик

Материальные объекты образуют целостную систему лишь в том случае, если энергия связи между ними больше кинетической энергии каждого из них. Энергия связи – это та энергия, которую необходимо затратить, чтобы полностью «растащить» систему на отдельные ее составляющие.

25. СТРУКТУРНОСТЬ И СИСТЕМНОСТЬ МАТЕРИИ

Материя – одно из фундаментальных понятий философии и науки. По определению В. И. Ленина, материя – философская категория для обозначения объективной реальности, отображаемой нашими ощущениями и существующей независимо от них. Важнейшим свойством материи и материальных образований является ее системность и структурность.

Система – это комплекс взаимодействующих элементов, или, что одно и то же, ограниченное множество взаимодействующих элементов. Для системы обычно характерна иерархичность строения – последовательное включение системы более низкого уровня в систему более высокого уровня.

Мы знаем, что непосредственно наблюдаемые нами тела состоят из молекул, молекулы – из атомов, атомы – из ядер и электронов, атомные ядра – из нуклонов (нейтронов и протонов), нуклоны – из кварков. Сегодня принято считать, что электроны и кварки не содержат более мелких частиц.

Поэтому в современном естествознании множество материальных систем принято условно делить на микромир, макромир и мегамир.

К микромиру относятся молекулы, атомы и элементарные частицы. Макромир составляют материальные объекты, состоящие из огромного числа атомов и молекул. Мир планет, звезд, галактик и Вселенной образует мегамир.

Важнейшая концепция современного естествознания заключается в материальном единстве всех систем микро-, макро– и мегамира. Таким образом, можно говорить о единой материальной основе происхождения всех материальных систем на разных стадиях эволюции Вселенной.

Свойства и особенности материальных объектов микро-, макро– и мегамира отличаются друг от друга не только размерами, но и количественными характеристиками. Материальные объекты образуют целостную систему, если энергия связи между ними больше кинетической энергии каждого из них. Энергия связи – это та энергия, которую надо затратить на «растаскивание» всей системы на отдельные ее части полностью.

С другой стороны, в классической физике различали два вида материи – вещество и поле. Вещество – это вид материи, обладающий массой покоя. В конечном счете вещество слагается из элементарных частиц, масса покоя которых не равна нулю (в основном из электронов, протонов и нейтронов). В классической физике вещество и поле противопоставлялись друг другу как два вида материи, у первого из которых структура дискретна, а у второго – непрерывна. Квантовая физика, внедрившая идею двойственной корпускулярно-волновой природы любого микрообъекта, привела к нивелированию этого представления. Выявление тесной взаимосвязи вещества и поля привело к углублению представлений о структуре материи. На этой основе были строго разграничены понятия вещества и материи, отождествлявшиеся в науке много веков.

Изучением свойств вещества в его различных агрегатных состояниях занимаются физика твердого тела, физика жидкостей и газов, физика плазмы. Свойства и структуру материи на микроскопическом уровне изучают атомная физика, ядерная физика, физика элементарных частиц. Распределение и структуру материи во Вселенной изучает астрофизика.

26. ПОЛЕ И ВЕЩЕСТВО

Материя – философская категория для обозначения объективной реальности, отражаемой нашими ощущениями и существующей независимо от них. В классических представлениях естествознания различают два вида материи – вещество и поле.

Согласно теории корпускулярно-волнового дуализма свет – это поток частиц – квантов или фотонов, несущих определенные порции энергии и импульса, но в то же время свет – это волны электромагнитного поля, обладающие энергией и импульсом и распространяющиеся в пространстве со скоростью света.

В квантовой механике любой частице соответствует волна. А когда частиц много? С точки зрения квантовой механики можно было бы сопоставить каждой частице свое поле. Однако опыт свидетельствует о полной неразличимости тождественных частиц. Конечно, уэлектронов могут быть разные энергии и импульсы, но при одних и тех же параметрах электроны одинаковы.

Итак, если все частицы одинаковы, как волны в одной и той же среде, то, значит, эта среда, т. е. поле, является более фундаментальным понятием.

Поле определяется через силы, действующие на некоторый пробный объект (заряд, массу), помещенный в данную точку пространства. Пространство непрерывно. В каждой его точке эта сила имеет вполне определенное значение, считающееся характеристикой поля. При этом переход от точки к точке непрерывный и плавный. Важным свойством поля является непрерывность его характеристик. Именно непрерывность позволяет эффективно применять математические методы для описания физических характеристик разнообразных объектов. К настоящему времени известно несколько типов физических полей, соответствующих типам взаимодействий, – электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля элементарных частиц.

С математической точки зрения поле – это произвольная функция или набор функций, координат и времени.

Поля могут быть постоянными и переменными. Например, электрическое и магнитное поля фотона являются переменными (они синусоидально зависят от координат и времени, т. е. изменяются по гармоническому закону), а магнитное поле Земли и электрическое поле в грозовой туче постоянные.

Вещество построено из электронов и нуклонов (протонов и нейтронов). Последние в свою очередь состоят из кварков. Различного рода взаимодействия между частицами вещества осуществляются полями. Кванты полей, переносящих электромагнитное взаимодействие, представляют собой фотоны, гравитационное взаимодействие – гравитоны, сильное взаимодействие – глюоны, слабое взаимодействие – векторные бозоны.

В классической физике вещество и поле абсолютно противопоставлялись друг другу как два вида материи, у первого из которых структура дискретна, а у второго – непрерывна. Открытие в квантовой теории двойственной корпускулярно-волновой природы микрообъектов нивелирует это противопоставление. На этой основе были строго разделены категории вещества и материи, на протяжении многих веков отождествлявшиеся в философии и науке, причем философское значение осталось за категорией материи, а понятие вещество сохранило научный смысл в физике и химии. В земных условиях для веществ известны четыре состояния: твердые тела, жидкости, газы, плазма.

27. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

В узком смысле слова элементарными можно назвать частицы, у которых внутренняя структура никогда не наблюдалась. К ним относятся, например, электрон и фотон. Подавляющее большинство элементарных частиц(мезоны, барионы)обладают внутренней структурой.

В 1920-е гг. были известны две частицы – электрон и протон, а также два вида взаимодействий – гравитационное и электромагнитное. На их основе объяснялись все явления природы.

Можно выделить два основных потока открытий новых элементарных частиц. Первый приходится на 1930-1950-е гг., когда прежде всего были найдены нейтрон и позитрон. Позитрон – античастица по отношению к электрону; он подобен электрону во всем, но обладает положительным, а не отрицательным зарядом. При соударении электрона с позитроном, как и при соударении любой частицы с соответствующей ей античастицей, может произойти их аннигиляция, т. е. исчезновение частиц, причем их энергия превращается в другие формы.

Далее было обнаружено нейтрино. Сейчас известно несколько разновидностей нейтрино. Концепция существования нейтрино спасла несколько физических законов. Причем один тип взаимодействует только с электроном, а другой – только с р-мезоном. Существование мезонов было предсказано Х. Юкавой в 1935 г. В 1937 г. был открыт первый мезон, но не тот (р-мезон). Предсказанный же Юкавой мезон был открыт в 1947 г. (р-мезон). Он имеет отношение к ядерным взаимодействиям.

Второй поток открытий элементарных частиц пришелся на 1960–1965 гг. К концу этого периода число частиц превысило 200. Само понятие элементарности потеряло смысл, поскольку не существует критерия элементарности. Использование стабильности частиц или времени их жизни в качестве критерия оказалось неэффективным.

Стабильных (не самораспадающихся) элементарных частиц всего четыре: электрон, протон, фотон и все виды нейтрино. На основе этих частиц невозможно построить все остальные, обладающие способностью самопроизвольно распадаться. Среди этих частиц дольше всех живет свободный нейтрон, меньше всех – нейтральный ж-мезон (10-16с). В конце 1960 г. был открыт новый класс частиц, получивший название резонансов. Эти частицы живут крайне мало: порядка 10-23с.