2.3. Структурные уровни организации материи

2

Биоценоз — совокупность растений, животных и микроорганизмов, населяющих данный участок суши или водоема и характеризующихся определенными отношениями между собой и приспособленностью к условиям окружающей среды (например, биоценоз озера, леса).

В естественных науках выделяются два больших класса материальных систем: системы неживой природы и системы живой природы.

В неживой природе в качестве структурных уровней организации материи выделяют физический вакуум, элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы — галактики, системы галактик — метагалактику.

В живой природе к структурным уровням организации материи относят системы доклеточного уровня — нуклеиновые кислоты и белки, клетки как особый уровень биологической организации, представленные в форме одноклеточных организмов и элементарных единиц живого вещества, многоклеточные организмы растительного и животного мира, надорганизменные структуры, включающие виды, популяции и биоценозы и, наконец, биосферу как всю массу живого.

В природе все взаимосвязано, поэтому можно выделить такие системы, которые включают элементы как живой, так и неживой природы — биогеоценозы.

Применяя системный подход, естествознание не просто выделяет типы материальных систем, а раскрывает их взаимосвязь и соотношение.

В науке выделяют три уровня строения материи:

1. 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.

2

Световой год — единица межзвездных расстояний, путь, который свет проходит за год, то есть 9,46·10¹² км.

3. Мегамир — мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет.

Материальные системы микро-, макро- и мегамира различаются между собой размерами, характером доминирующих процессов и законами, которым они подчиняются. Пространственные масштабы и размеры (в метрах с точностью до одного порядка чисел) некоторых материальных объектов представлены ниже (4):

Радиус наблюдаемой Вселенной 10²⁶

Диаметр нашей галактики 10²¹

Расстояние от Земли до Солнца 10¹¹

Диаметр Солнца 10⁹

Размеры человека 100

Длина волны видимого света 10^-6 – 10^-7

Размер вирусов 10^-6 – 10^-8

Диаметр атома водорода 10^-10

Диаметр атомного ядра 10^-15

Минимальное расстояние, доступное

современным средствам измерений 10^-18

Отношение самого большого размера к самому малому, составляющее сегодня 44 порядка, возрастало и будет возрастать по мере накопления естественнонаучных знаний об окружающем мире.

Понятно, что границы микро- и макромира подвижны и не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты построены из микрообъектов и в основе макро- и мегаявлений лежат микроявления. Это наглядно видно на примере построения Вселенной из взаимодействующих элементарных частиц в рамках космомикрофизики. На самом деле мы должны понимать, что речь идет лишь о различных уровнях рассмотрения вещества.

Важнейшая концепция современного естествознания заключается в материальном единстве всех систем микро-, макро- и мегамира. Можно говорить о единой материальной основе происхождения всех материальных систем на разных стадиях эволюции Вселенной (9).

Основные теории, описывающие свойства объектов на этих уровнях. Материальные объекты микро-, макро- и микромира отличаются друг от друга не только своими размерами. Свойства и особенности материальных объектов микро-, макро- и микромира описываются разными теориями, принципами и законами. При объяснении процессов в микромире используются принципы и теории квантовой механики, квантовой статистики и т. п. Изучение материальных объектов макросистем основано на законах и теориях классической механики Ньютона, термодинамики и статической физики, классической электродинамики Максвелла. Вместе с тем многие понятия и концепции (энергия, импульс и др.), введенные в классической физике для описания свойств материальных объектов макромира, с успехом используются для объяснения процессов в микро- и мегамире. Движение планет Солнечной системы описывается законом всемирного тяготения и законами Кеплера. Происхождение и эволюция Вселенной объясняются на основании комплекса естественнонаучных знаний, включающих физику элементарных частиц, квантовую теорию поля, теорию относительности и т. п.

2.3.2. Концепция дальнодействия и близкодействия. Огромное разнообразие природных систем и структур, их особенности и динамизм обусловливаются взаимодействием материальных объектов, их взаимным действием друг на друга. Именно взаимодействие — основная причина движения материи, поэтому взаимодействие, как и движение, универсально, т. е. присуще всем материальным объектам вне зависимости от природы происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов.

Взаимодействующие объекты обмениваются энергией и импуль­сом — основными характеристиками их движения.

Очень долгое время считалось, что взаимодействие материальных объектов, находящихся даже на большом расстоянии друг от друга, передается через пустое пространство мгновенно. Такое утверждение соответствует концепции дальнодействия (7).

Сторонником, даже автором этой концепции был Ньютон. Закон тяготения Ньютона позволял со всей возможной тогда точностью описывать и предсказывать движение тел, как земных, так и небесных, под действием силы тяжести. Смущало лишь одно обстоятельство: при выводе своего закона Ньютон полагал, что тела (в частности, Солнце и Земля) притягиваются друг к другу через абсолютную пустоту, т. е. без какого-либо контакта или посредника. Кроме того, Ньютон считал, что притяжение тел осуществляется мгновенно, иначе говоря, с бесконечно большой скоростью (принцип мгновенного дальнодействия). Это представлялось абсурдным. Даже выдающиеся ученые, например Лейбниц и Эйлер, отказывались принимать ньютонов подход к тяготению и придерживались декартовой концепции вихрей (cм. справку «Рене Декарт» в разделе «Континуальная концепция». С. 73).

Наконец, было совершенно непонятно, почему тела притягива­ются, — объяснять это явление Ньютон просто не стал. Он констатировал сам факт тяготения и закон его действия без каких-либо попыток выяснить природу феномена. Между тем физиков все больше интересовали именно причины универсального свойства всех массивных тел притягиваться друг к другу.

Позже появившаяся концепция поля позволила усовершенствовать механическую картину мира по Ньютону, заменив прежний (ньютонов) принцип дальнодействия принципом близкодействия. К настоящему времени экспериментально подтверждена именно концепция близкодействия: взаимодействия передаются посредством физических полей с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. Эта, по существу, полевая концепция в квантовой теории поля дополняется утверждением: при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами — квантами поля (10).

2.3.3. Фундаментальные взаимодействия. Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектов и систем весьма разнообразны. Однако, как показали физические исследования, все взаимодействия можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому.

Гравитационное взаимодействие. Это взаимодействие является наиболее всеобъемлющим. Ему подвержены все материальные объекты без исключения — и микрочастицы, и макротела. Проявляется оно в виде всемирного тяготения. Согласно закону, открытому великим Ньютоном, все тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

,

где G — гравитационная постоянная, а масса при этом играет роль гравитационного заряда, который оказывается всегда положительным. Законом всемирного тяготения описывается падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т. д.

Согласно современным представлениям, каждое из взаимодействий возникает в результате обмена частицами, называемыми переносчиками этого взаимодействия. Гравитационное взаимодействие осуществляется посредством обмена гравитонами. Это не имеющие массы частицы со спином, равным 2, которые не способны находиться в покое и распространяются всегда с максимально возможной скоростью — скоростью света в вакууме.

Хотя гравитоны ищут уже давно, они пока не проявились непосредственно при эксперименте. Причина заключается в том, что при обычных плотностях материи, типичных для земных условий, гравитационное взаимодействие чрезвычайно слабо, и от эксперимента требуется ювелирная точность, которая еще не достигнута (7), (25).

Электромагнитное взаимодействие. Электромагнитное взаимодействие как и гравитационное, по своей природе длиннодействующее: соответствующие силы могут проявляться на очень значительных расстояниях. Как установил в 1785 г. французский инженер и физик Шарль Огюстен Кулон (1736–1806), эти силы убывают обратно пропорционально квадрату расстояния между частицами.

Электромагнитное взаимодействие описывается зарядами одного типа (электрическими), но заряды могут иметь уже два знака — положительный и отрицательный. В отличие от тяготения электромагнитные силы способны быть как силами притяжения, так и силами отталкивания.

От взаимодействия между электрически заряженными частицами зависит структура атомов и молекул, а значит, в конечном счете и то, что окружающий мир таков, каков он есть. Физические и химические свойства разнообразных веществ, материалов и самой живой ткани обусловлены именно этим взаимодействием. Оно же приводит в действие всю электрическую и электронную аппаратуру.

Теория электромагнитного взаимодействия в макромире называется классической электродинамикой. В ее разработке принимали участие многие ученые XVIII–XIX веков, однако решающий вклад в ее создание внес выдающийся английский физик Джеймс Кларк Максвелл (1831–1879). Именно он объединил электричество, магнетизм и свет в рамках единой концепции электромагнитного поля.

И все же механизм электромагнитных процессов стал понятен лишь с возникновением квантовой электродинамики — теории, объясняющей эти процессы на уровне микромира. За ее разработку японский физик-теоретик Синъитиро Томонага (1918–1994), а также американские ученые Юлиан Сеймор Швингер (1918–1994) и Ричард Филипс Фейнман в 1965 г. были награждены Нобелевской премией.

Согласно квантовой электродинамике, переносчиками электромагнитного взаимодействия являются кванты электромагнитного поля — фотоны. Это не имеющие массы частицы со спином 1, которые движутся со скоростью света с. В результате обмена этими частицами и возникает электромагнитное взаимодействие между заряженными телами (4), (18).

Сильное взаимодействие. Сильное взаимодействие — самое мощное из всех остальных (чем и объясняется его название). Ядерные силы, действующие между нуклонами в атомном ядре, — проявление этого взаимодействия. Здесь оно примерно в 100 раз сильнее электромагнитного. В отличие от последнего (а также гравитационного) сильное взаимодействие — короткодействующее: соответствующие силы очень быстро убывают по мере увеличения радиуса расстояния между частицами. Радиус действия сильных взаимодействий порядка 10^-13 см. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. От заряда нуклонов ядерные силы не зависят, поэтому оно обеспечивает стабильность атомных ядер. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро, тем больше его энергия связи. С увеличением числа нуклонов в ядре и, следовательно, размера ядра удельная энергия связи уменьшается и ядро может распадаться, что и происходит с ядрами элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева.

Предполагается, что сильное взаимодействие переносится глюонами — частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц.

Слабое взаимодействие. В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабое взаимодействие появляется главным образом в процессах бета-распада атомных ядер многих изотопов, свободных нейтронов и т. д. Принято считать, что переносчиками слабого взаимодействия являются вионы — частицы с массой примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов. Вионы обнаружены в 1983 г. (7).

2.3.4. Сравнительные количественные характеристики фундаментальных взаимодействий. «Суперобъединение» (7). Для количественной характеристики фундаментальных взаимодействий обычно используют безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия и радиус действия (см. табл. 2).

Таблица 2