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 экспериментальногоестествознания 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 притяже­нияи 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 Все­леннойкак 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, чтосветящиесятела излучают мельчайшие части­цы, которые движутсяв 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 теорияустанавливала 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 эговоз­ражение 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 дифракциейсвета. 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 физикомТ. Юнгоми французскиместествоиспытателем 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.Фарадеяи теоретические работы английского физика Дж.К. Максвеллаокончательно 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 физи­ ческая реальность едина и нет пропасти между веществом и по­ лем : 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 корпускуляр­ ную 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 Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет получила подтверждение в экспериментах американского физика Р.Э. Милликена. Откры­тое в 1923 г. американским физиком А.Х. Комптоном явление (эффект Комптона), которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими лучами на атомы со свободными электронами, вновь и уже окончательно подтвердило кванто­вую теорию света.

Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его вол­новые свойства, а при фотоэффекте — корпускулярные. При этом


10-09-2015, 23:39