1.2 Структура материи
В науке широко используется представление о структурных уровнях материи, конкретизирующих формы движения и виды материи. Структурные уровни материи образованы из объектов определенного множества и какого-либо класса. Характерной особенностью этих объектов является особый тип взаимодействия между составляющими их элементами. Критерием для выделения различных структурных уровней могут служить следующие признаки: пространственно-временные масштабы, совокупность важных свойств и законов изменения, степень относительной сложности, которая возникает в процессе исторического развития материи в данной области мира.
Элементами структуры материи являются:
неживая природа;
живая природа;
социум (общество).
Каждый элемент материи имеет несколько уровней. Уровнями неживой природы являются:
субмикроэлементарный (мельчайшие единицы материи, меньше, чем атом);
микроэлементарный (адроны, состоящие из кварков, электроны);
ядерный (ядро атома);
атомарный (атомы);
молекулярный (молекулы);
уровень единичных вещей;
уровень макротел;
уровень планет;
уровень систем планет;
уровень галактик;
уровень систем галактик;
уровень метагалактик;
уровень Вселенной, мира в целом.
К уровням живой природы относятся:
доклеточный (ДНК, РНК, белки);
клеточный (клетка);
уровень многоклеточных организмов;
уровень видов;
уровень популяций;
биоценозы;
уровень биосферы в целом.
К уровням социума относятся:
отдельный индивид;
семья;
группа;
коллективы разных уровней;
социальные группы (классы, страты);
этносы;
нации;
расы;
отдельные общества;
государства;
союзы государств;
человечество в целом.
Кроме того, в современном естествознании материя подразделяется на три вида: вещество, физическое поле и физический вакуум. Одним из главных свойств материи является движение. Без движения нет материи, и наоборот. Движение материи — это любые изменения, происходящие с материальными объектами в результате их взаимодействий. вида материи: вещество, физическое поле и физический вакуум. Основным видом материи является вещество, обладающее массой. К вещественным объектам можно отнести элементарные частицы, атомы, молекулы и различные образованные из них материальные объекты [3, с.126].В химии вещества делят на простые (они состоят из атома одного химического элемента) и сложные, называемые химическими соединениями. Свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия атомов и молекул. Это обусловливает разные агрегатные состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. При достаточно высокой температуре образуется плазма. Переход вещества из одного состояния в другое можно охарактеризовать как один из видов движения материи. В природе существуют различные виды движения материи. Их можно классифицировать с учетом изменений свойств материальных объектов и влияния на окружающий мир. Волновое и колебательное движение, механическое движение (относительное перемещение тел), распространение и изменение различных полей, тепловое (хаотическое) движение атомов и молекул, фазовые переходы между агрегатными состояниями (парообразование, плавление и т. д.), равновесные и неравновесные процессы в макросистемах, радиоактивный распад, ядерные и химические реакции, развитие живых организмов и биосферы, эволюция звезд, галактик и Вселенной в целом — все это служит примерами многообразных видов движения материи [4, с.283]. Особым видом материи, которое обеспечивает физическое взаимодействие как материальных объектов, так и их систем, является физическое поле. К физическим полям можно отнести гравитационное и электромагнитное поля, поле ядерных сил, а также квантовые (волновые) поля, которые соответствуют разным частицам (например, электрон-позитронное поле). Частицы служат источником физических полей, например, для электромагнитного поля таковыми являются заряженные частицы. Физические поля, созданные частицами, переносят с конечной скоростью взаимодействие между ними. В квантовой теории взаимодействие является следствием обмена квантами поля между частицами.
Общими универсальными формами существования движения материи принято считать пространство и время. Движение материальных объектов, также как и различные реальные процессы осуществляются в пространстве и во времени. Особенность естественнонаучного представления об этих понятиях сводится к тому, что пространство и время можно охарактеризовать количественно с помощью приборов. Время является объективной характеристикой любого явления или процесса, определяет порядок смены физических состояний. Время — это всё то, что можно измерить с помощью многих приборов. Принцип работы этих приборов заключается в разных физических процессах, среди которых наиболее удобными считаются периодические процессы: электромагнитное излучение возбужденных атомов, вращение Земли вокруг своей оси и др.
Многие крупные достижения в естествознании связаны с разработкой более точных приборов для определения времени. Эталоны, существующие сегодня, позволяют измерить время с достаточно высокой точностью, в этом случае относительная погрешность измерений составляет не более 10-11 %. Временная характеристика реальных процессов основывается на постулате времени: абсолютно одинаковые явления происходят за одинаковое время. Не смотря на то, что постулат времени кажется естественным и очевидным, его истинность всё же относительна, потому что его нельзя проверить на опыте даже с помощью самых идеальных часов, так как, во-первых, они характеризуются своей точностью, а, во-вторых, нельзя создать совершенно одинаковые условия в природе в разное время. Вместе с тем довольно длительная практика естественнонаучных исследований позволяет не усомниться в справедливости постулата времени в пределах точности, достигнутой в данный момент времени [3, с.128]. Создавая классическую механику, И. Ньютон ввел понятие абсолютного (истинного) математического времени, протекающего всегда и везде равномерно, и относительного времени, которое выступает как мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни и означающая какой-то определенный интервал времени: час, день, месяц и т.д.
В современном представлении время всегда относительно. Из теории относительности вытекает, что при скорости, которая стремится к скорости света в вакууме, время замедляется, то есть происходит релятивистское замедление времени, а сильное поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени. В обычных же земных условиях эти эффекты оказываются чрезвычайно малы.
Главным свойством времени является его необратимость. В реальной жизни нельзя вновь воспроизвести прошлое во всех его деталях и подробностях, так как оно забывается. Необратимость времени объясняется сложным взаимодействием множества природных систем, и символически обозначается стрелой времени, которая всегда как бы летит из прошлого в будущее. Необратимость реальных процессов в термодинамике связывают с хаотичным движением атомов и молекул. Понятие пространства гораздо сложнее понятия времени. В отличие от одномерного времени, реальное пространство имеет три измерения, то есть оно трехмерно. В трехмерном пространстве имеются атомы и планетные системы, выполняются фундаментальные законы природы. Но существуют гипотезы, согласно которым пространство Вселенной имеет много измерений, но из них наши органы чувств способны ощущать только три [5, с.15].
Самые первые представления о пространстве зародились из очевидного существования в природе твердых тел, которые занимают какой-то определенный объем. Исходя из этого, можно говорить о том, что пространство выражает порядок сосуществования физических тел. Более 2000 лет назад была создана завершенная теория пространства — геометрия Евклида, до сих пор считающаяся образцом научной теории. По аналогии с абсолютным временем И. Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое существует независимо от находящихся в нём физических объектов и, возможно, совершенно пустым. Оно представляет собой как бы мировую арену, где происходят различные физические процессы [4, с.284]. Свойства пространства выражаются геометрией Евклида. Именно это представление о пространстве и составляет основу практической деятельности людей. Хотя пустое пространство идеально, в то время как реальный окружающий нас мир заполнен разными материальными объектами. Без материальных объектов идеальное пространство не имеет смысла даже, к примеру, при описании механического движения тела, для которого нужно взять другое тело, выступающего в качестве системы отсчета. Механическое движение тел относительно. В природе не существует ни абсолютного покоя, ни абсолютного движения тел. Пространство, как и время, относительно. Специальная теория относительности соединила пространство и время в единый континуум «пространство — время». Базой для такого объединения является постулат о предельной скорости передачи взаимодействий материальных объектов и принцип относительности. Из данной теории вытекает относительность одновременности двух событий, которые происходят в различных точках пространства, и относительность измерений длин и интервалов времени, которые производятся в разных системах отсчета, движущихся относительно друг друга. Согласно общей теории относительности свойства «пространства — времени» подчиняются материальным объектам. Любой термальный объект искажает пространство, которое можно описать не геометрией Евклида, а сферической геометрией Римана или гиперболической геометрией Лобачевского. Считается, что вокруг массивного тела при очень большой плотности вещества искажение становится столь существенным, что «пространство — время» как бы «замыкается» локально само на себя, отделяет данное тело от остальной Вселенной и образует черную дыру, поглощающей электромагнитное излучение и материальные объекты. На поверхности черной дыры для внешнего наблюдения время как бы останавливается. Можно предположить, что в центре нашей Галактики существует огромная черная дыра. Но есть и другая точка зрения. По мнению Академика Российской академии наук А. А. Логунова, никакого искажения пространства—времени нет, а происходит искажение траектории движения объектов, которое обусловлено изменением гравитационного поля. Он утверждает, что наблюдаемое красное смещение в спектре излучения отдаленных галактик возможно объяснить не расширением Вселенной, а переходом посылаемого ими излучения от среды с сильным гравитационным полем в среду со слабым гравитационным полем, в котором находится наблюдатель на Земле [3, с.16].
Сейчас следует считать, что вещество, как и другие виды материи (физический вакуум и физическое поле) имеют прерывистую структуру. Исходя из квантовой теории поля, время и пространств очень малых масштабах образуют хаотически изменяющуюся пространственно временную среду. Квантовые ячейки чрезвычайно малы, поэтому их можно не учитывать при описании свойств атомов, нуклонов и др., считая, что время и пространство непрерывными.
Основным видом материи является вещество, которое находится в твердом или жидком состояниях и воспринимается обычно как сплошная, непрерывная среда. Для описания и анализа свойств такого вещества в большинстве случаев учитывается лишь его непрерывность. Однако же это вещество при объяснении химических связей, тепловых явлений, электромагнитного излучения и т.п. рассматривается как дискретная среда, состоящая из взаимодействующих между собой атомов и молекул. Дискретность и непрерывность присущи и другому виду материи — физическому полю. Магнитное, электрическое, гравитационное и другие поля при решении многих физических задач принято считать непрерывными. Но в квантовой теории поля считается, что физические поля дискретны.
Для одинаковых видов материи характерна дискретность и непрерывность. Для свойств материальных объектов и классического описания природных явлений достаточно учитывать непрерывные свойства материи, а для характеристики различных микропроцессов — её дискретные свойства. Неотъемлемые свойства материи - дискретность и непрерывность. Важнейшим свойством материи является ее структурная и системная организация, выражающая упорядоченность существования материи в виде большого разнообразия материальных объектов разных уровней и масштабов, которые связаны между собой единой системой иерархии. Тела, наблюдаемые нами, состоят из молекул, молекулы из атомов, атомы из ядер и электронов, атомные ядра из нуклонов, нуклоны из кварков. Сейчас следует полагать, что электроны и гипотетические частицы кварки не содержат более мелких частиц [4, с.286].
С биологической точки зрения самой крупной живой системой является биосфера. Она состоит из биоценозов, которая содержит множество популяций живых организмов разных видов. Популяции формируют отдельные особи, живой организм которых состоит из клеток со сложной структурой, включающих ядро, мембрану и другие составные части.
Сейчас множество материальных систем условно делят на микромир, макромир и мегамир. К микромиру относят молекулы, атомы и элементарные частицы. Материальные объекты, которые состоят из большого числа атомов и молекул, образуют макромир. Самой крупной системой материальных объектов считается мегамир — это мир планет, звезд, галактик и Вселенной. Материальные системы микро-, макро- и мегамира отличаются друг от друга размерами, характером преобладающих процессов и законами, которым они подчиняются
Итак, каждая из трех областей материальной действительности образуется из ряда особенных структурных уровней, находящемся не в хаотичном их «наборе» в составе какой-то области действительности, а в определенной связи, упорядоченности. Переход от одной области к другой связан с увеличением и усложнением многообразия факторов, которые обеспечивают целостность систем (в неживой природе — электромагнитные, ядерные и другие силы, в обществе — производственные отношения, национальные, политические и др.). Внутри каждого из структурных уровней материи имеются отношения субординации: молекулярный уровень включает в себя атомарный (но никак не наоборот); организменный — клеточный, тканевый уровень общества — уровни, представленные нациями, классами, другими социальными уровнями. Закономерности новых уровней специфичны, их нельзя свести к закономерностям уровней, на базе которых они возникли, и являются ведущими для данного уровня структурной организации материи [6, с.140]. Способом существования материи является структурное многообразие, т. е. системность. Первоначальным понятием в представлении материи как структурно упорядоченного образования является понятие «система». С ним могут быть связаны представления о мире в целом (в оговоренном, разумеется, значении этого термина), формы движения материи, структурные уровни организации материи, отдельные целостные объекты внутри структурных уровней материи, разные уровни, аспекты, «срезы» этих материальных объектов. На этом понятии как на исходном основывается вся картина всеобщей структурированности материи.