От микромира до Метагалактики: современные представления о структурных уровнях материи

Система и структура

Структурность и системность, наряду с пространством, временем, движением, являются неотъемлемыми свойствами материи. По современным представлениям, мир упорядочен и организован, это сложная иерархия систем, в которой все элементы взаимосвязаны. Существует несколько десятков определений понятия система, но классическим признано определение, данное основоположником теории систем Людвигом фон Берталанфи. Система – это комплекс взаимодействующих элементов. Элемент – неразложимый компонент системы при определенном способе ее рассмотрения, если меняется угол зрения, то явления или события, которые рассматривались в качестве элемента системы, сами могут становиться системами и наоборот. Например, элементами системы "газ" выступают молекулы газа, но они сами могут рассматриваться как системы, элементами которых являются атомы. Атом – тоже система, однако принципиально другого уровня, чем газ, и т.д. Элементами системы являются только те предметы, явления или процессы, которые формируют и определяют ее свойства. Комплекс элементов системы может складываться в подсистемы разного уровня, которые выполняют частные программы и являются промежуточными звеньями между элементами и системой.

По характеру связей между элементами все системы делятся на суммативные и целостные. В суммативных системах связь между элементами слабая, т.е. они достаточно автономны по отношению друг к другу и к системе в целом. Суммативными системами являются груда камней, куча песка и т.п. Несмотря на то что элементы в такой системе могут существовать и сами по себе, все же груда камней – это самостоятельная система, она может быть устойчивой долгое время и обладает свойствами, отличными от свойств составляющих ее камней.

В целостных системах элементы взаимосвязаны друг с другом, каждый элемент такой системы в своем возникновении, развитии и функционировании зависит от всей целостности, и наоборот, система зависит от каждого из своих элементов. Внутренние связи в целостных системах стабильнее внешних. Примером целостной системы является живой организм или общество. Под действием определенных факторов суммативные системы могут преобразовываться в целостные и наоборот.

По характеру взаимодействия с окружающей средой системы подразделяются па открытые и закрытые {замкнутые) системы. Открытые системы обмениваются энергией и веществом с внешним миром, при определенных условиях в них из хаоса могут появляться новые структуры, а сама система развивается во времени. Закрытые системы не обмениваются энергией и веществом с внешним миром, они стремятся к равновесию, предельным выражением которого является полная неупорядоченность и хаос.

Структура – это совокупность устойчивых, закономерных связей и отношений между элементами системы, которые сохраняют ее основные свойства. Вселенная структурирована на всех уровнях: от микромира до Метагалактики.

Современные представления об элементарных частицах. Структура микромира

Элементами микромира выступают микрочастицы, сейчас известно более 350 элементарных частиц, которые различаются массой, зарядом, временем жизни и еще целым набором физических характеристик. Все эти знания о микрочастицах получены в течение одного лишь XX в. В 1900 г. немецкий физик Макс Планк продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями – квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны. Эксперименты Планка подтвердили двойственный характер света, который одновременно обладает корпускулярными свойствами, т.е. ведет себя как поток частиц, и волновыми свойствами, т.е. ведет себя как волна. Понятно, что такой вывод несовместим с представлениями классической физики. Гипотеза квантов стала началом новой квантовой физики.

Вслед за этим в 1911 г. английский физик Эрнест Резерфорд предложил новую планетарную модель атома. Согласно этой модели, атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Сила, которая возникает при движении электронов по орбитам, уравновешивается притяжением между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. Общий заряд атома равен нулю, поскольку заряды ядра и электронов уравновешивают друг друга. Двумя годами позднее, в 1913 г., датский физик Нильс Бор предложил более совершенную модель атома, дополнив идеи Резерфорда новыми гипотезами.

Постулаты Бора звучат так.

Постулат стационарных состояний. Электрон совершает в атоме устойчивые орбитальные движения по стационарным орбитам, не испуская и не поглощая энергии.

Правило частот. Электрон способен переходить с одной стационарной орбиты на другую, при этом испуская или поглощая энергию. Поскольку энергии орбит дискретны и постоянны, то при переходе с одной из них на другую всегда испускается или поглощается определенная порция энергии.

Первый постулат позволил ответить на вопрос о том, почему электроны при движении по круговым орбитам вокруг ядра не падают на него, т.е. почему атом устойчив. Второй постулат объяснил прерывность излучения электрона. Квантовые постулаты Бора означали, что классические физические представления, считавшиеся до тех пор незыблемыми, более не действуют. Вскоре выяснилось, что ошибочно представлять электроны в виде твердых частиц, движущихся по определенным орбитам. В действительности состояния электрона могут меняться. Бор предположил, что микрочастицы не являются ни волной, ни корпускулой. При одном типе измерительных приборов они ведут себя как непрерывное поле, при другом – как дискретные материальные частицы. Выяснилось также, что представление о точных орбитах движения электронов ошибочно. Вследствие своей волновой природы электроны скорее "размазаны" по атому, причем весьма неравномерно. В определенных точках плотность их заряда достигает максимума. Кривая, связывающая точки максимальной плотности заряда электрона, и представляет собой его "орбиту".

В 1936 г. Поль Дирак предположил, что каждой частице соответствует античастица, отличающаяся от нее только знаком заряда. В том же году был открыт позитрон – античастица электрона, в 1955 г. – антипротон, а в 1956 г. – антинейтрон. Сейчас уже не вызывает сомнения, что каждая частица имеет своего "двойника" – античастицу, совершенно идентичную по всем физическим характеристикам, кроме заряда. В 70–80-е гг. XX в. в физике появилось множество теорий антивещества и антиматерии.

В 1964 г. была создана теория кварков, ее авторами были американские физики Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг. Интересно, что эти ученые пришли к одним и тем же выводам независимо друг от друга. Слово "кварк" Гелл-Манн позаимствовал из романа Джеймса Джойса "Поминки по Финнегану". Герою этого произведения слышалось бессмысленное сочетание звуков – "кварк, кварк, кварк". В романе Джойса слово "кварк" не имеет смысла, но в современной физике кварки – это гипотетические материальные объекты, пока их невозможно наблюдать даже с помощью самых совершенных технических устройств. Предполагается, что кварки – это истинно элементарные частицы, т.е. их невозможно дробить дальше. Считается, что кварков не должно быть больше шести, и названия у них в высшей степени поэтичные: кварк u (up – верхний), кварк d (down – нижний), кварк s (strange – странный), кварк с (charm – очарование), кварк b (beauty – прелесть) и кварк t (top – верхний). Теория кварков оказалась плодотворной, она позволила систематизировать известные частицы и предсказать существование новых, благодаря ей была построена более стройная и гармоничная модель строения атома, согласно которой атом состоит из тяжелого ядра (протоны и нейтроны) и электронной оболочки. Теория кварков не закончена, она и сейчас развивается и уточняется.

Устройство Вселенной

Предел наблюдаемости есть не только в микромире, но и в мегамире. Доступная наблюдениям часть Вселенной называется Метагалактикой, она представляет собой упорядоченную систему галактик. Современные мощнейшие телескопы позволяют увидеть миллиарды галактик на расстояниях 10 млрд световых лет. Некоторые из них видны даже невооруженным глазом, например, самая близкая к нам галактика – туманность Андромеды находится на расстоянии 1,5 млн световых лет, ее можно разглядеть в бинокль. Местная группа галактик, в которую входят наша Галактика (Млечный Путь) и туманность Андромеды, исследованы лучше всего.

Все галактики представляют собой гигантские скопления звезд, пыли и газа, они пронизаны магнитными полями и космическими лучами. Одиночные галактики встречаются крайне редко, обычно галактики объединены в группы, скопления и сверхскопления. Расстояния между галактиками в десятки раз больше, чем размеры самых крупных из них. Гигантские галактики имеют размеры до 18 млн световых лет, галактики-карлики – всего несколько десятков световых лет.

Галактики могут иметь разные формы. Самые простые – эллиптические, в них нет звезд-сверхгигантов, горячих звезд и газовых туманностей, у них также нет ядра, а количество звезд равномерно убывает от центра к периферии. В галактиках неправильной формы, напротив, множество горячих звезд, сверхгигантов, газовых туманностей, но в них тоже отсутствует ядро. Наиболее распространенной является спиральная форма галактик, только у них есть ядро. К этому типу относятся наша Галактика, а также туманность Андромеды. В галактиках спиральной формы находятся наиболее горячие звезды и массивные облака космического газа. Самые старые звезды расположены в ядре галактик, а молодые и средние – в диске. Ядра галактик содержат до 10% их массы. Считается, что в некоторых галактиках ядро представляет собой черную дыру. Так, например, в центре ядра нашей Галактики находится скопление звезд с сильным радиоисточником, который называют Стрелец А. Предполагается, что Стрелец А является черной дырой с массой равной примерно миллиону солнечных масс.

Наша Галактика – Млечный Путь – имеет форму диска с выпуклостью в центре – ядром, от которого отходят спиралевидные рукава. Солнечная система расположена в одном из рукавов Галактики на расстоянии примерно 30 тысяч световых лет от ее центра. В нашей Галактике – около 200 млрд звезд.

В XX в. выяснилось, что галактики, составляющие видимую часть Вселенной, разлетаются, т.е. Метагалактика расширяется. Современные астрономические данные свидетельствуют о том, что Метагалактика имеет сетчатую, ячеистую структуру, т.е. галактики распределены в ней не равномерно, а вдоль определенных линий – по границам ячеек сетки. Некоторые космологи и философы высказывают идею, что Метагалактика не единственна, и существует множество вселенных, появившихся в результате Большого взрыва[1].

  • [1] См. параграф 3.4.
 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >