Структурные уровни неживой материи.

1.Современная картина мира: системный подход. 
2.Макромир: концепция классического естествознания. Релятивистская физика: теория относительности. 
3.Микромир. Вероятностный подход: квантовая динамика. 
4.Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции. Модель расширяющейся Вселенной. Строение и эволюция звезд и планет. 

1.Современная картина мира: системный подход. 

В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета и т.д. может быть рассмотрен как система – сложное образование включающее составные части, элементы и связи между ними. Элемент в данном случае означает минимальную, далее неделимую часть данной системы. 

Совокупность связей между элементами образует структуру системы, устойчивые связи определяют упорядоченность системы. Связи по горизонтали – координирующие, обеспечивают корреляцию системы, ни одна часть системы не может измениться без изменения других. Связи по вертикали – связи субординации, одни элементы системы являются более значимыми чем другие, и подчиняются им. Система обладает признаком целостности – это означает что все ее составные части, соединяясь в целое образуют нечто обладающее качествами не сводимыми к качествам отдельных элементов. Согласно современным научным взглядам все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. В естественных системах выделяют два больших класса систем: системы неживой и живой природы. Принято так же выделять три уровни строения материи. 

Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины от долей миллиметра до километров и временные измерения от долей секунды до лет. 

Микромир – мир предельно малых непосредственно ненаблюдаемых объектов, пространственная размерность от 10-8 см. до 10-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 с. 

Мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние измеряется световыми годами, а время миллионами и миллиардами лет. 



2.Макромир: концепция классического естествознания. Релятивистская физика: теория относительности. 

Представление о макромире составляют наиболее старый компонент естествознания. Еще в донаучный период сложились определенные представления об этом уровне организации материи, они носили характер натурфилософии, т.е. наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов, при отсутствии методов экспериментального исследования. Самый большой вклад в исследование макромира сделали представители классического естествознания. Начало формирования научных взглядов на природу относится к XVI веку когда Г. Галилей, обосновал гелеоцентрическую систему Н. Коперника, открыл закон инерции, разработал методику нвого описания мира – научно-теоретического (выделение некоторых физических и геометрических характеристик исследуемых объектов). Таким образом, он заложил основы механистической картины мира. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал теорию механики, описывающую одинаковыми закономерностями и движение небесных тел и земных объектов. В рамках механистической картины мира сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц – корпускул или атомов. Абсолютно прочных неделимых обладающих массой. Время рассматривалось как величина независящая от пространства и материи. Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. 

К корпускулярной модели были сведены все процессы во вселенной, в том числе и распространение света. Ньютон считал, что святящиеся тела испускают мельчайшие частицы, движущиеся в соответствии с законами механики. Но наряду с корпускулярной теорией света в это же время начинает распространиться и волновая концепция автором, которой был Х. Гюйгенс. Волновая теория устанавливала аналогию между распространением свет и распространение волн в различных средах (в воде в воздухе). Средой распространения свет считался в то время эфир. Главным аргументом в пользу своей концепции Гюйгенс считал тот факт, что два луча света проходят сквозь друг друга, не рассеиваясь. Некоторые противоречия волновой концепции света были устранены опытами Гримальди, луч света способен, как и любая волна, огибать препятствия, если обычно этого не заметно, то это потому что у света очень маленькая длинна волны, но если рассмотреть границу очень резкой тени при некотором увеличении, можно увидеть слабые участки освещенности в форме перемежающихся светлых и темных участков и ореолов. Это явление получило название дифракции. Подтверждением волновой концепции является так же интерференция (световые волны находящиеся в противофазе как бы гасят друг друга). В области электромагнитных явленией корпускулярная модель так же оказалась несостоятельной. Эксперименты М. Фарадея и теоретические работы Дж. Максвелла показали неадекватность механистической модели и в области электромагнитных явлений. М. Фарадей ввел понятие силовых линий, как направление действия электрических сил в магнитном поле. Дж. Максвелл создал уравнения, описывающие выводы М. Фарадея о магнетизме и электричестве. Благодаря этому силовое поле, первоначально являвшееся вспомогательным понятием, обрело собственную физическую реальность. Обобщив установленные ранее экспериментальным путем законы электромагнитных явлений и открытое М. Фарадеем явление магнитной индукции, Дж. Максвелл математическим путем нашел систему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле. Из уравнений Максвелла следовала возможность самостоятельного существования поля, которое, не будучи привязанным к заряду, распространяется в пространстве. Вычисленная им скорость распространения электромагнитного поля оказалась равна скорости света. Исходя из этого, Максвелл сделал вывод, что световые волны представляют собой электромагнитные волны. Это положение было экспериментально подтверждено немецким физиком Г. Герцем в 1888 г. 

После экспериментов Герца в физике утвердилось понятие поля как объективно существующей физической реальности. Таким образом, к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля. Вещество и поле различаются по физическим характеристикам: частицы вещества обладают массой покоя, а частицы поля – нет. Вещество и поле различаются по степени проницаемости: вещество малопроницаемо, а поле проницаемо полностью. Скорость распространения поля равна скорости света, а скорость движения частиц на несколько порядков меньше. 

Позднее в ходе исследования микромира положение о веществе и поле как самостоятельных независимых друг от друга видах материи было поставлено под сомнение. 



3.Микромир. Вероятностный подход: квантовая динамика. 

Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с тем, что одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства. Первые исследования в этой области были проведены немецким физиком М. Планком. В процессе исследования теплового излучения он пришел к выводу, что энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в определенных неделимых порциях – квантах. Сумма энергий этих порций определяется через число колебаний и универсальную естественную постоянную. Понятие элементарного кванта в дальнейшем послужило основой для понимания всех свойств атомной оболочки и атомного ядра. А. Эйнштейн перенес идею квантованного поглощения и отдачи энергии на излучение вообще и, таким образом, обосновал новое учение о свете. 

Квантовая теория света или фотонная теория Эйнштейна утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. Вместе с тем световая энергия концентрируется в определенных точках, и свет поэтому имеет прерывистую структуру. Свет можно рассматривать как поток энергетических квантов или фотонов. Таким образом, ранее считавшаяся опровергнутой корпускулярная теория света оказалась тоже отчасти верной. 

Представления Эйнштейна о квантах света послужили отправным пунктом для теории Нильса Бора и привели к возникновению идеи о «волнах материи». В 1924 г. французских физик Луи де Бройль выдвинул идею о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления для описания свойств материи. В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер нашел математическое уравнение, определяющее поведение волн материи. Английский физик Поль Дирак обобщил его. Таким образом, была выдвинута идея о возможности создания единой математической модели материи и энергии. Экспериментальные данные подтвердили существование явлений дифракции атомов, нейтронов, электронов и даже молекул. Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств. Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенности, установленном немецким физиком В. Гейзенбергом. Принцип соотношения неопределенности утверждает, что для элементарных частиц никогда нельзя установить одновременно оба важнейших параметра классической механики – координату и скорость. Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то при этом нарушается ее движение, и наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы. Это связано с тем, что, пользуясь законами макромира, невозможно построить модель явлений микромира. Любая попытка дать четкую картину микрофизических процессов опирается либо на волновое, либо на корпускулярное представление и не дает возможности описать квант, являющийся и частицей, и волной одновременно. Нильс Бор сформулировал это как принцип дополнительности: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего». В процессе исследования мы наблюдаем не реальность как таковую, а результат взаимодействия микрообъекта с приборами, одни из которых способны фиксировать волновую, другие – корпускулярную природу элементарных частиц. Обе картины законны, и противоречие между ними снять нельзя. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую. 

Параллельно с исследованиями квантовой природы энергии велись исследования атомов как структурных единиц материи. В XVIII в. химик Дальтон принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. В XIX в. Д.И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе. В физике исследования атома начинаются с открытия явления радиоактивности (самопроизвольного превращения атомов одних элементов в атомы других) французскими физиками А. Беккерелем и Пьером и Марией Кюри. Исследование структуры атома началось в 1895 г. с открытия Дж. Томсоном электрона – отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку атом в целом электрически нейтрален, было сделано предположение о наличии в его структуре положительно заряженных частиц. В 1911 г. исследования лаборатории Э. Резерфорда позволили сделать вывод, что атом имеет структуру, напоминающую солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны. 

В 1913 г. датский физик Нильс Бор, отталкиваясь от планетарной модели Резерфорда и квантовой концепции энергии, предложил следующую гипотезу строения атома:
В каждом атоме существует несколько стационарных состояний или орбит электронов, двигаясь по которым электрон существует, не излучая. 
При переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

Концепция Бора позволяла объяснить устойчивость атомов и излучение ими энергии.

Дальнейшие исследования показали, что сам электрон не является точкой. Он обладает внутренней структурой, которая может меняться в зависимости от его состояния, поэтому описать структуру атома, исходя из представлений классической механики, нельзя. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы распространены по всему атому, но в некоторых местах электронная плотность заряда больше, а в других – меньше. Кривая, связывающая точки максимальной плотности, формально называется орбитой электрона. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механистических моделей по аналогии с событиями в макромире. 

Дальнейшее развитие представлений о структуре материи было связано с исследованиями элементарных частиц, то есть частиц, входящих в состав атома. Сейчас их известно более 350. Первоначально термин «элементарный» означал, что эти частицы являются далее неразложимыми. Сейчас уже не подлежит сомнению, что эти частицы имеют ту или иную структуру. 

Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаимодействий: 
Сильное взаимодействие. Происходит на уровне атомных ядер. Оно представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии 10-13 см. 
Электромагнитное взаимодействие. Примерно в 1000 раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействия является фотон – квант электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие соединяет атомные ядра и электроны в атоме и атомы в молекуле. 
Слабое взаимодействие. Действует на расстоянии порядка 10-15 – 10-22 см. Связано главным образом с распадом частиц, например, с превращением нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. 
Гравитационное взаимодействие. Самое слабое. В теории элементарных частиц почти не учитывается.Но при сверхбольших энергиях тяжелые частицы могут создавать вокруг себя заметное гравитационное поле. Гравитационные взаимодействия имеют решающее значение в космических масштабах. Радиус их действия неограничен. 



4.Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции. Модель расширяющейся Вселенной. Строение и эволюция звезд и планет. 
Вселенную в целом изучает наука, называемая космологией. Это изучение основывается на нескольких предпосылках. 
Формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной. 
Производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространяемыми на всю Вселенную. 
Истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, то есть человека.
Поскольку данные космологии не могут быть подтверждены экспериментально, результаты космологических исследований являются моделями происхождения и развития Вселенной, а не законами. Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной расширяющейся Вселенной. В основе этой модели лежат следующие предположения. 
Свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность). 
Описанием гравитационного поля Вселенной являются уравнения Энштейна. 
Нестационарность Вселенной определяется двумя постулатами теории относительности: а) принципом относительности, гласящим, что во всех инерциальных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями равномерно и прямолинейно движутся эти системы относительно друг друга; б) экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

Из принятия теории относительности вытекало в качестве следствия, что искривленное пространство не может быть стационарным, оно должно расширяться или сжиматься. Следствием этого является так называемое красное смещение (понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу). Для всех далеких источников света было зафиксировано красное смещение, пропорциональное расстоянию до них. Это явление было отождествлено с эффектом Доплера, что стало одним из аргументов в пользу расширения Вселенной. 

Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, произошедшем 12-18 млрд. лет назад. Начальное состояние Вселенной – это так называемая сингулярная точка. Она характеризуется следующим образом: бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц, включая фотоны и нейтрино. Эта концепция была подтверждена открытием в1965 г. реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии образования Вселенной. Современная квантовая механика допускает, что источником возникновения Вселенной мог быть вакуум. До недавнего времени считалось, что вакуум – это пустота. По современным научным представлениям это особая форма материи, в которой может образовываться поле, а из него – вещественные частицы. Это подтверждается современными физическими экспериментами. После Большого Взрыва образовался сгусток плазмы, в котором находятся элементарные частицы. Этот сгусток плазмы начал расширяться под действием взрывной волны. Первыми возникли ядра легких элементов – водорода и гелия. Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите, является самым простым составляющим элементом, из которого в недрах звезд образуются в процессе атомных реакций более сложные атомы. Чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах. Звезды класса Солнца могут производить только гелий. 

Вопрос об образовании и строении галактик. Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную сферическую, спиральную, эллиптическую, сплюснутую или неправильную форму. Галактик миллиарды и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд. Наша галактика называется Млечный Путь. Она состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры – 100 тыс. световых лет. Солнце расположено на расстоянии 30 тыс. световых лет от ее центра. Ближайшая к нашей галактика расположена на расстоянии 2 млн. световых лет и называется Туманность Андромеды (открыта в 1923 г. американским астрономом Эдвином Хабблом). В 1963 г. были открыты квазары (сокращение английских слов «квази стар»). Это самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной, они в десятки раз меньше галактик, но в сотни раз превышают их по светимости. 
Существует две основные концепции происхождения небесных тел. 
Небулярная модель образования Солнечной системы. Выдвинута французским физиком и математиком Пьером Лапласом и развита немецким философом Иммануилом Кантом. В соответствии с ней звезды и планеты образовались из рассеянного диффузного вещества (космической пыли) путем постепенного сжатия первоначальной туманности. 
На основании модели Большого Взрыва была сформулирована гипотеза о возникновении галактик, звезд и планетных систем из сверхплотного дозвездного вещества, находящегося в ядрах галактик (автор гипотезы Виктор Амбарцумян).

Все небесные тела можно разделить на испускающие энергию (звезды) и не испускающие (планеты, кометы, метеориты, космическая пыль). Энергия звезд генерируется в их недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятков млн. градусов. Эти процессы сопровождаются выделением особых частиц огромной проницающей способности – нейтрино. Существуют звезды, у которых меняется блеск и спектр – переменные звезды и нестационарные звезды, а также звездные ассоциации, возраст которых не превышает 10 млн. лет. Существуют очень крупные звезды – красные гиганты и сверхгиганты, и нейтронные звезды, масса которых близка к массе Солнца, а радиус в 50 тыс. раз меньше солнечного. В 1967 г. были открыты пульсары – источники космического радиооптического, рентгеновского и гамма-излучения, которое периодически усиливается и ослабевает. Звезда класса Солнца в конце эволюционного цикла, когда весь водород истрачен в термоядерных реакциях, сжимается при сохранении прежней массы и превращается в белого карлика – звезду, имеющую относительно высокую поверхностную температуру и низкую светимость. Другие классы звезд – нейтронные звезды – могут превращаться в новые и сверхновые звезды, резко увеличиваясь в объеме и в течение нескольких суток излучая огромную энергию. 

Солнце – плазменный шар, имеет корону, в которой находятся факелы и протуберанцы. Излучение Солнца – солнечная активность – имеет цикл 11 лет. Источником солнечной энергии являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Математически эти реакции рассчитаны, но прямых подтверждений нет, поскольку нет данных о внутреннем строении Солнца. Возраст Солнечной системы, зафиксированный по древнейшим метеоритам, около 5 млрд. лет. Общепринята гипотеза, по которой Земля и все планеты сконденсировались из космической пыли, расположенной в окрестностях Солнца. Из гипотез происхождения Солнечной системы наиболее известна электромагнитная гипотеза шведского астрофизика Х. Альвина, усовершенствованная американцем Ф. Хойлом. Она гласит, что некогда Солнце обладало очень сильным электромагнитным полем. Туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных атомов. Под действием излучения атомы ионизировались. Ионы попадали в ловушки из магнитных силовых линий и увлекались вслед за вращающимся светилом. Постепенно Солнце теряло свой вращательный момент, передавая его газовому облаку. Для того чтобы устранить некоторые неподдающиеся объяснению факты, Хойл ввел предположение, что Солнце зародилось в недрах самой туманности, которая тоже обладала зарядом. Известна гипотеза образования планет Солнечной системы из холодного газопылевого облака, окружавшего Солнце, предложенная советским ученым О.Ю. Шмидтом. 

Радиус Земли 6,3 тыс. км, масса 6 на 1021 тонн, плотность 5,5 г/см3. Земля состоит из литосферы (земной коры), мантии и ядра. В 1908 г. ирландский ученый Д. Джоли выдвинул предположение о геологическом значении радиоактивности: количество тепла, испущенного радиоактивными элементами, вполне достаточно, чтобы объяснить существование расплавленной магмы и извержения вулканов, а также смещение континентов и горообразование. В следующем 1909 г. Вернадский основывает геохимию – науку о физико-химической эволюции Земли. В соответствии с современными взглядами температура ядра Земли может быть низкой, а процессы в земной коре имеют радиоактивную природу. Сначала Земля была холодной. Атомы радиоактивных элементов, распадаясь, выделяли тепло и недра разогревались. Это повлекло за собой выделение газов и водяных паров, которые, выходя на поверхность, положили начало воздушной оболочке и океанам. В 1915 г. немецкий геофизик А. Вегенер предположил, исходя их очертаний континентов, что в карбоне существовал единый массив суши – Пангея. Пангея раскололась на Лавразию и Гондвану, из которых уже выделились современные континенты. Решающим аргументом в пользу принятия этой концепции стало эмпирическое обнаружение в конце 50-х гг. расширения дна океанов