Структурные уровни организации материи

Структурные уровни организации материи

Согласно современным научным взглядам на природу, все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. В естественных науках изучаются системы неживой и живой природы.

В неживой природе исследуются элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, физический вакуум, макроскопические тела, планеты и их системы, звезды и их системы (галактики), Метагалактика.

В живой — системы доклеточного уровня (нуклеиновые кислоты и белки), клетки, многоклеточные организмы, надорганизменные структуры (виды, популяции, биоценозы) и биосфера.

Помимо такого подразделения, выделяются три уровня строения материи:

• * микромир: мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов в пространственных масштабах, не превышающих 10−8 м, временных от бесконечности до 10−24 сек;
• * макромир: мир макрообъектов (размеры от 10−8 до 107 м);
• * мегамир: мир наиболее крупных объектов (планеты, звезды и т. д.), размеры от 107 м и более.

Приведем некоторые параметры для сравнения:

• * электрон: r 10−18 м, m 10−30 кг
• * Земля: d 107 м, m 6.10 24 кг
• * Солнце: d 1,4.109 м, m 2.1030кг
• * Солнечная система: d 6.1016 м, m mc
• * Наблюдаемая Вселенная: r 1026 м, m 1050 кг

Микромир. Квантовая теория позволила проникнуть в глубины микромира. В качестве первой элементарной частицы был открыт электрон, а затем в первые десятилетия XX века — фотон, протон, позитрон и нейтрон. Число частиц, именуемых элементарными, достигло в настоящее время почти 400, хотя дать строгое определение понятию «элементарная частица» весьма затруднительно. В качестве первого приближения «под элементарной частицей можно понимать такую микрочастицу, внутреннюю структуру которой нельзя представить в виде объединения других свободных частиц"*.

Элементарные частицы можно разделить на два класса: фермионы (в честь Энрико Ферми) и бозоны (в честь Шатьендраната Бозе). Фермионы составляют вещество, бозоны (фотон, гравитон, глюоны, векторные бозоны) переносят взаимодействие. Фермионы, в свою очередь, делятся на лептоны (греч. leptos — «легкий») и адроны (греч. adros — «сильный»). К лептонам относятся электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, таон и таонное нейтрино. Все они обладают слабым взаимодействием. К адронам принадлежат два класса частиц: мезоны (пи-мезоны — пионы, ка-мезоны — каоны, эта-мезоны) и барионы (нуклоны — протон, нейтрон и гипероны — лямбда, сигма, кси, омега). Мезоны относятся к нестабильным частицам, барионы составляют класс тяжелых частиц.

Все элементарные частицы обладают целым спектром различных характеристик.

• * Электрическим зарядом (все известные частицы имеют либо положительный, либо отрицательный, либо нулевой заряды). Каждой частице, кроме фотона и мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. У частицы и античастицы одинаковы массы покоя, спин и время жизни; при их взаимодействии происходит аннигиляция (уничтожение) каждой из них, при этом выделяется энергия. В 60-х годах XX века была высказана гипотеза о существовании кварков — частиц с дробным электрическим зарядом, хотя экспериментального подтверждения данная гипотеза еще не получила.
• * Массой покоя, причем масса покоя частицы определяется по отношению к массе покоя электрона. Однако существуют элементарные частицы — фотоны, не имеющие такой массы.
• * Временем жизни: с этих позиций все частицы делятся на стабильные и нестабильные. К стабильным частицам относятся фотон, разновидности нейтрино, электрон и протон. Все прочие частицы — нестабильны, время их жизни около 10−10 — 10−24 с, после чего они распадаются. Элементарные частицы со временем жизни 10−22 — 10−23 с называются резонансами. Резонансные состояния вычислены только теоретически и не зафиксированы в реальных экспериментах.
• * Спином — собственным моментом количества движения микрочастицы, а также иными характеристиками: изотопическим спином, странностью, лептонным и барионным зарядами, четностью и т. д.

Между элементарными частицами может происходить четыре типа взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Отметим, что все названные типы взаимодействия относятся к фундаментальным взаимодействиям в природе вообще. В квантовой теории установлено, что любому полю соответствуют частицы, осуществляющие взаимодействия. Эти взаимодействия переносятся четырьмя типами бозонов.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно действует на расстоянии порядка 10−15 м, а время протекания составляет — 10−23 с. Глюоны переносят сильные ядерные взаимодействия.

Электромагнитное взаимодействие реализуется между заряженными частицами. Носителем такого взаимодействия является фотон, квант электромагнитного поля. При электромагнитном взаимодействии электроны и атомные ядра соединяются в атомы, а атомы —?в молекулы. Радиус взаимодействия не ограничен, время протекания 10−20 с.

Слабое взаимодействие связано, главным образом, с распадом элементарных частиц, а также с взаимодействием нейтрино с веществом. Взаимодействие простирается на расстояние порядка 10−18 м, а время протекания — 10−10 с. Векторные бозоны осуществляют перенос слабых взаимодействий.

Гравитационное взаимодействие в микромире может не учитываться, хотя в космических масштабах оно имеет решающее значение, радиус его не ограничен. Силу тяготения между телами, имеющими массу, переносит гравитон.

Некоторые частицы участвуют во всех типах взаимодействий (протон), другие — только в некоторых (электрон, мюон). Взаимодействия элементарных частиц происходят посредством соответствующих физических полей, квантами которых они являются. Состояние, в котором отсутствуют кванты поля, называется вакуумом.

Физика элементарных частиц пока еще не дает полного понимания микромира на единой основе, но такую задачу ставят перед собой исследователи, стремящиеся объединить все четыре типа взаимодействий в единой теории поля. Максвеллу удалось свести электрическое и магнитное взаимодействия в единое — электромагнитное. В настоящее время уже создана теория электрослабых взаимодействий, объединяющая слабое и электромагнитное взаимодействия (теория Вайнберга — Глэшоу — Салама, разработанная в 1967 году). Сегодня стоит задача включить в эту теорию и сильное взаимодействие, а затем — гравитационное.

В физике микромира было раскрыто и строение атомного ядра — центральной части атома, в которой сосредоточена практически вся его масса и весь положительный заряд. Ядро атома состоит из элементарных частиц — нуклонов (это протоны и нейтроны). Ядро в целом — устойчивая система, для ее разрушения требуется определенная энергия. Нуклоны в ядре удерживаются ядерными силами, которые являются короткодействующими. Механизм действия ядерных сил основан на том же принципе, что и электромагнитных — на обмене взаимодействующих объектов виртуальными частицами. Виртуальные частицы существенно отличаются от обычных частиц, называемых реальными. Их нельзя непосредственно наблюдать в эксперименте. Виртуальные частицы —?это возможные, еще не возникшие частицы, которые для своей актуализации требуют определенных затрат энергии.

Отметим еще ряд моментов, характерных для физики микромира. Уже указывалось, что всем объектам микромира присущи и корпускулярные, и волновые свойства. В связи с этим возникает необходимость введения некоторых ограничений в применении к объектам микромира понятий классической механики. Так, в классической механике утверждается, что всякая частица движется по определенной траектории, отсюда в любой момент времени могут быть точно зафиксированы ее координата и импульс. Но поскольку микрочастица обладает волновыми свойствами, то нельзя говорить о ее движении по определенной траектории и об одновременных точных значениях ее координаты и импульса. Принцип неопределенности, сформулированный В. Гейзенбергом, гласит: объект микромира невозможно одновременно с любой наперед заданной точностью характеризовать и координатой, и импульсом. Причем невозможность одновременно точно определить координату и импульс связана не с несовершенством измерительных приборов, а со спецификой объектов микромира, вытекающей из их корпускулярно-волнового дуализма.

Еще одной отличительной особенностью квантовой теории является необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц. Описание последних с помощью волновой функции имеет статистический, вероятностный характер: квадрат модуля волновой функции определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определенном ограниченном объеме.

Макромир. Поведение и свойства физических тел, состоящих из микрочастиц и составляющих макромир, описываются классической физикой. В классической механике Ньютона в качестве вещественных образований выступают материальная частица —?корпускула и физическое тело (как единая система корпускул), другими словами, идеальными и предельно абстрактными физическими образами реально существующих частиц и тел в классической механике служат материальная точка и абсолютно твердое тело. Взаимодействие тел в макромире осуществляется под действием силы тяготения и электромагнитных сил.

Масса представляет собой одну из важнейших физических характеристик материальных объектов. Общепринятое в классической физике определение массы было сформулировано Ньютоном: количество материи (масса) есть мера таковой, устанавливаемая пропорционально плотности и объему ее. Однако фактически работающим в концепции Ньютона оказывается понятие массы как меры инерции тел. Бесспорно, массу можно определить как меру инерции материальных объектов, но это не означает, что данное определение дает исчерпывающую характеристику. Масса пропорциональна энергии и потому может быть охарактеризована как мера энергии. Наконец, масса выступает и как мера гравитационных свойств материальных объектов. Постоянство и независимость ускорения свободного падения тел от их массы возможны только при равенстве инертной и гравитационной масс.

Среди фундаментальных понятий классической физики и понятие «сила». Сила — физическая мера взаимодействия тел и причина изменения их механического движения, т. е. их перемещения друг относительно друга.

К числу основных понятий макромира принадлежит и «энергия» —?общая мера различных форм движения. Качественно различные физические формы движения материи способны превращаться друг в друга. Данный процесс превращения сопровождается определенными количественными эквивалентами, что и позволяет выделить общую меру движения — энергию. Перечислим известные виды энергии: механическая, тепловая, электромагнитная, ядерная, гравитационная и т. д.

Как отмечалось, помимо сил тяготения в макромире проявляются и электромагнитные силы, источником которых является электрический заряд (закон Кулона, формула Лоренца, уравнения электромагнитной теории Максвелла).

Говоря об исследовании свойств макромира, нельзя не выделить и учение о строении и свойствах вещества, которое называется молекулярно-кинетической теорией. В ее основе лежат следующие принципы:

• * вещество состоит из атомов и молекул;
• * атомы и молекулы находятся в хаотическом движении;
• * между ними действуют силы взаимного притяжения и отталкивания;
• * вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом.

К числу важнейших законов природы, проявляющих себя в макромире, относятся законы сохранения импульса, сохранения и превращения энергии, а также закона механического движения (три закона Ньютона), закон всемирного тяготения, сформулированный им же, и другие. Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух методов исследования тепловых явлений и свойств макросистем: термодинамического (положившего основу термодинамики) и статистического (заложившего молекулярную физику). Изучение электромагнитного поля породило новую науку — электродинамику. Такова в общих чертах физика макромира.

Мегамир. Провести строгую границу между макромиром и мегамиром достаточно сложно. Предполагают, что мегамир начинается с расстояний 107 м и с масс 1020 кг. Для измерения таких огромных величин введены специальные единицы:

• * световой год (расстояние, которое проходит свет в течение одного года): 1 световой год равен 9,46 .1015 м;
• * астрономическая единица (среднее расстояние от Земли до Солнца): 1 а.е. равна 1,5 .1011 м;
• * парсек: 3,26 св. г. равен 3,08. 1016 м.

Мегамир изучается, прежде всего, астрономией. Именно эта наука исследует движение и природу небесных тел, их происхождение и дальнейшее развитие. Мегамир образует систему небесных тел, которая, в свою очередь, имеет системную организацию в форме планет и планетных систем; звезд и звездных систем —?галактик; системы галактик —?Метагалактики. Материя во Вселенной представлена сконденсировавшимися космическими телами и диффузной материей, которая существует как в виде разобщенных атомов и молекул, так и в форме газово-пылевых туманностей (гигантских облаков пыли и газа). Материя может существовать также и в виде излучения.

В нашей Галактике 97% вещества сосредоточено в звездах —?гигантских плазменных образованиях различной величины и температуры. Среди основных характеристик звезд: температура, которая определяет цвет звезды (красноватый, желтоватый, белый и голубоватый), светимость, радиус, магнетизм, химический состав (как правило, звезды представляют собой водородные и гелиевые плазмы).

Современная астрономия располагает большим числом аргументов, что звезды образуются путем конденсации облаков газопылевой межзвездной среды. Процесс образования звезд продолжается и в настоящее время. Источником звездной энергии являются термоядерные реакции синтеза, происходящие в недрах звезд при очень высокой температуре.

Картина эволюции звезды выглядит следующим образом. Эволюция начинается с конденсации облака межзвездной газопылевой среды. Под влиянием сил всемирного тяготения из него образуется сравнительно плотный газовый шар. Поскольку давление газа внутри шара не в состоянии пока уравновесить силы притяжения отдельных его частей, он будет непрерывно сжиматься (глобулы). При сжатии протозвезды температура ее повышается и значительная часть энергии излучается в окружающее пространство. В этот период температура звездных недр уже оказывается достаточной для того, чтобы там начались термоядерные реакции. Газовый шар перестает сжиматься. При термоядерных реакциях происходит «выгорание» водорода и превращение его в гелий (что имеет место только в центральных областях звезды, в то время как наружные слои сохраняют содержание водорода относительно неизменным). После выгорания водорода ядро звезды начинает сжиматься, в то же время происходят ядерные реакции на периферии. После того как температура плотного гелиевого ядра звезды достигнет 100—150 млн К, начнется новая ядерная реакция, которая приведет к образованию углерода и прекращению сжатия ядра.

Далее следует процесс медленного остывания звезды и превращения ее в белого карлика. Постепенно остывая, звезды все меньше и меньше излучают, переходя в невидимые черные карлики (холодные звезды с очень большой плотностью).

Однако не все звезды проходят такой плавный путь эволюции: некоторые из них на заключительном этапе эволюции взрываются. В таких случаях говорят о вспышке «сверхновой» звезды.

Звезды образуют определенные системы — звездные скопления, которые являются частями более общей системы — галактики, включающей в себя помимо звезд и диффузную материю. По форме галактики бывают эллиптические, спиральные и неправильные (с вихревыми движениями газов). В настоящее время насчитывают около 10 миллиардов галактик. Галактика, включающая в себя Солнечную систему, является спиральной системой, состоящей приблизительно из 120 миллиардов звезд. Она имеет форму утолщенного диска, наибольший диаметр которого 100 тысяч световых лет. Ближайшей к нам галактической системой является туманность Андромеды (расстояние до нее — 2 миллиона 700 тысяч световых лет). Системы галактик образуют Метагалактику, включающую в себя все известные космические объекты.

При объяснении явлений мегамира велика роль гравитационного взаимодействия. Всякое тело притягивает другие тела, но сила гравитации быстро уменьшается с увеличением расстояния между ними.

Помимо звезд в мегамире существуют и планеты. Все различия между звездами и планетами являются следствием различия их масс.

Солнечную систему образует Солнце и движущиеся вокруг него девять планет. Солнце — единственная звезда, все остальные планеты — это остывшие тела, светящиеся отраженным от Солнца светом. По орбите Земля движется со скоростью 30 км/с. Ее орбита незначительно отличается от круговой.

Солнце вращается вокруг своей оси, делая один оборот за 25 суток. Однако для земного наблюдателя вращение Солнца кажется происходящим с периодом 27 суток, поскольку Земля вращается в том же направлении. Температура в поверхностных слоях Солнца составляет? 6000К. Больше всего на Солнце водорода (70% от всей его массы) и гелия (? 28%). Особенностью строения Солнца является наличие в его фотосфере солнечных пятен, в которых сосредоточены сильные магнитные поля. Кроме этого, на Солнце наблюдаются и такие нестационарные явления, как вспышки. Солнце излучает в мировое пространство огромную энергию (1,3 1034 Дж в год).

В истории научной мысли существовали разные гипотезы, раскрывающие происхождение Солнечной системы (космологическая гипотеза Канта-Лапласа, Дж.Х. Джинса и др.). Сейчас широко известна концепция, выдвинутая Х. Альфеном и Ф. Хойлом, которые предположили, что именно электромагнитные силы сыграли решающую роль в зарождении Солнечной системы. Солнце и планеты образовались из газового облака, состоящего из ионизированного газа и подверженного влиянию электромагнитных сил. На большом расстоянии от Солнца остались небольшие остатки этого газа, которые стали притягиваться под действием сил гравитации к образовавшейся звезде. Но магнитное поле звезды остановило падение этих остатков, а далее произошла их концентрация, в результате чего и образовались планеты. И вместе с тем вопрос о происхождении Солнца и Солнечной системы до сих пор остается открытым, поскольку и в данной концепции имеются некоторые противоречия.

Модели мегамира отражены в космологических моделях Вселенной. Космология рассматривается как наука об устройстве и развитии Вселенной. В истории имели место разные модели Вселенной. Долгое время преобладающей выступала модель стационарного состояния Вселенной, согласно которой последняя не имеет эволюционных процессов. Классическая ньютоновская космология исходила именно из такого подхода, по которому меняться могут конкретные космические системы, но не Вселенная в целом. Первую концепцию эволюционирующей Вселенной построил Кант. Он выдвинул гипотезу о рождении и развитии космических тел, звезд и их скоплений, Солнечной системы и входящих в нее тел. Современник Канта — П. Лаплас предложил свою концепцию иерархической Вселенной, во многом развивающую представления великого немецкого философа. Обе гипотезы в XIX веке были объединены в небулярную теорию Канта—Лапласа.

Эйнштейн при работе над общей теорией относительности исходил из идеи стационарной Вселенной. Он отказался от ньютоновских постулатов абсолютности пространства и времени и обосновал идею, что метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Эйнштейн считал, что пространство однородно и изотропно, а плотность материи во Вселенной распределена равномерно. По его мнению, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космическим отталкиванием. Ученый предполагал, что время существования Вселенной бесконечно, а само пространство — безгранично, но конечно.

Уравнения, полученные Эйнштейном, были изучены В. де Ситтером и А. Фридманом. Ситтер предложил иную модель Вселенной. Он рассмотрел модель пустой Вселенной, в которой два объекта расположены на столь большом расстоянии, что можно пренебречь притяжением между ними. Стационарность мира требовала нарушения равновесия — галактики должны начать удаляться друг от друга с ускорением. Фактически Ситтер предсказал расширение Вселенной.

В 1922 году российский ученый А. Фридман отбросил постулат стационарности Вселенной и сформулировал принятое в настоящее время решение космологической проблемы. Причем возможны три варианта уравнений Фридмана*.

Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым, и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство описывается геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется. И, наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, а расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния. По современным представлениям, критическая плотность 10−26 кг/м3. В настоящее время для средней плотности получено значение 10−28 кг/м3, что соответствует открытой модели.

В 1929 году американский астроном Э. Хаббл установил, что свет, идущий от далеких галактик, смещается в сторону красного конца спектра. Это явление, получившее название красного смещения, согласно принципу Доплера, свидетельствовало об удалении галактик от наблюдателя. Заметим, что в этом случае мы должны считать Вселенную не только безграничной, но и пространственно бесконечной. Но сменится ли расширение сжатием и когда это произойдет? Сейчас ответы на эти вопросы могут рассматриваться только как гипотезы.

Но если галактики разбегаются, то что было до их разбегания? На это отвечает теория «Большого взрыва», разработанная Г. Гамовым. Суть ее такова: 15—20 миллиардов лет назад все вещество Вселенной находилось в сверхплотном состоянии (r 10−33 см, 1093 г/см3, Т 1034 К) — состоянии «сингулярности». Затем произошел взрыв, в итоге каждая частица материи устремилась прочь от другой. Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, протоны и нейтроны. Спустя 100 с после взрыва протоны и нейтроны начали объединяться в ядра легких элементов (в основном тяжелого водорода и гелия, в меньшем числе лития и бериллия). Через несколько часов после Большого взрыва закончилось образование ядер элементов. Далее (по истечении нескольких сотен тысяч и более лет) образовались атомы и молекулы, химические элементы, планеты.

В 1964 году А. Пензиас и Р. Вильсон открыли во Вселенной новое радиоизлучение, названное И. Шкловским реликтовым, которое представляет собой излучение горячей плазмы. Открытое в известной мере случайно (хотя теоретически оно было предсказано в 1948 году Гамовым) при изучении радиопомех, оно явилось доказательством справедливости теории «Большого взрыва». Однако и данная теория требует дальнейшего уточнения.

Несмотря на подтверждение модели Большого взрыва, разрабатываются и новые модели, разрешающие некоторые ее трудности. Среди них — гипотеза Альфвена (считающего, что электромагнитные силы играли более существенную роль в формировании Вселенной, чем гравитация).