Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

открываемых внегалактических туманностей растет с каждым

годом. Современным средствам астрономических исследований

доступна колоссальная область пространства диаметром около 10

млрд световых лет.

Чтобы определить расстояния до таких галактик, можно

привести такой пример. Луч света начал свое движение с этих

миров, когда на Земле происходили первичные тектонические

процессы, но еще не было жизни. Когда свету осталось пройти до

Земли одну двухтысячную часть своего пути, на Земле появились

первые человекообразные существа. За это время на Земле

сменилось 40 000 поколений людей, пока наконец не были созданы

телескопы и фотопластинки, способные воспринять послание от

этих необычайно удаленных миров. Но те расстояния, которые свет

может пройти лишь за миллиарды лет, научная теория охватывает за

неизмеримо более короткие отрезки времени.

По некоторым данным, наша Галактика находится от центра

Метагалактики на расстоянии в несколько десятков миллионов

световых лет и движется вокруг центра со скоростью около 1000 км/

сек. Границу Метагалактики называют горизонтом познания

Вселенной.

Во Вселенной все находится в движении. Движутся планеты и

их спутники, кометы и метеорные тела; движутся Солнце и звезды в

галактиках, движутся галактики относительно друг друга. Как нет

пространства без материи, так нет и материи без движения.

ВЫВОДЫ

1. Современная наука окружающий нас мир структурно

разделяет на микро-, макро- и мегамиры. По мере возрастания

размеров микромир имеет следующую структуру: вакуум,

элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы, клетки. Макромир

имеет следующую структуру: вещество, индивид, вид, популяция,

сообщество, биосфера. В мегамир входят: планеты, звезды,

галактика, Метагалактика, Вселенная.

2. В современной науке все более четко отражается мысль о

сложной микроструктуре вакуума. Применение квантовой

110

теории к электромагнитному полю и полям, описывающим частицы

в вакууме, привело Дирака к предсказанию существования

античастиц и формированию нового взгляда на пустоту.

3.Ядра — это связанные системы протонов и нейтронов, т. е.

элементарных частиц. Атом есть наименьшая структурная единица

химического элемента. С развитием науки было установлено, что

атом имеет "планетарную" модель строения, т. е. состоит из ядра и

обращающихся вокруг него электронных орбит. Учение об

атомистическом строении материи, связанное с делимостью

веществ, зародилось еще в древности. Молекула является

наименьшей структурной единицей сложного химического

соединения — вещества.

4.При определенных условиях однотипные атомы и молекулы

могут собираться в огромные совокупности — макроскопические

тела (вещество). Простое вещество является атомарным, сложное

молекулярным.

5.Вид — это группа скрещивающихся между собой

организмов, которые не могут скрещиваться с представителями

других таких групп. На Земле существует 500 тыс. видов растений и

1,5 млн видов животных, в том числе позвоночных — 70 тыс., птиц

— 16 тыс., млекопитающих — 12 540 видов.

6.Популяцией называется группа организмов, относящихся к

одному или близким видам, занимающая определенную область,

называемую местообитанием. Сообществом, или биоценозом,

называют совокупность растений и животных, населяющих участок

среды обитания. Совокупность сообщества и среды носит название

экологической системы, или биогеоценоза. Биосферу можно

определить как систему биогеоценозов или живых сообществ, т. е.

совокупность живых организмов, ограниченную в пространстве и во

времени, обитающую на поверхности Земли, а также

взаимодействия живых систем со средой их обитания.

7. Следующей ступенью в иерархии объектов природы

являются макротела астрономического масштаба — планеты.

Наиболее распространенными объектами окружающего нас ма

териального мира являются звезды — небесные тела, подобные

нашему Солнцу и находящиеся в состоянии плазмы. Солнце,

111

звезды и звездные скопления, наблюдаемые на небе, образуют

систему, которую мы называем нашей Галактикой. В начале XX в.

было доказано, что некоторые туманные пятна, видимые в телескоп

в разных участках неба, находятся вне нашей Галактики и

представляют собой другие галактики. Галактики имеют тенденцию

располагаться по границам гигантских ячеек. Ячеистая структура

распределения галактик является наиболее крупной структурой

Метагалактики — видимой части Вселенной. Система галактик и их

скоплений называются Метагалактикой. Под Вселенной понимают

весь окружающий нас известный нам и неизвестный мир, который

мы можем познать.

Вопросы для контроля знаний

1. Каково структурное строение микромира, макромира и

мегамира?

2. Что собой представляет по современным научным

концепциям вакуум?

3. Элементарными частицами чего являются атом и молекула?

4. Расскажите что такой кварк.

5. Как классифицирует современная наука элементарные

частицы?

6. Какие агрегатные состояния материи вам известны?

7. Какие закономерности обнаружены в строении, движении и

свойствах Солнечной системы?

8. Какие основные параметры, определяющие свойства звезд?

9. Как распределены галактики во Вселенной?

10. Чем отличаются понятия Метагалактика и Вселенная?

Глава 6. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И

ДВИЖЕНИЕ СТРУКТУР МИРА

Тому, кто сумеет постичь Вселенную с

единой точки зрения, мироздание

кажется неповторимым явлением и

великим откровением.

Ж. Л. Д'Аламбер

6.1. Четыре вида взаимодействий

и их характеристика

Все отмеченные выше структурные объекты мира

объединяются в системы вследствие взаимодействий между собой.

Под взаимодействием в более узком смысле понимают такие

процессы, в ходе которых между взаимодействующими структурами

и системами происходит обмен квантами определенных полей,

энергией, а иногда и информацией.

В природе существуют качественно различные системы

связанных объектов. Ядра — связанные системы протонов и

нейтронов; атомы — связанные ядра и электроны; макротела —

совокупность атомов и молекул; Солнечная система — "связка"

планет и массивной звезды; галактика — "связка" звезд. Наличие

связанных систем объектов говорит о том, что должно существовать

нечто такое, что скрепляет части системы в целое. Чтобы

"разрушить" систему частично или полностью, нужно затратить

энергию. Взаимное влияние частей системы или структурных

единиц происходит посредством полей (гравитационного,

электрического, магнитного и других) и характеризуется энергией

взаимодействия. В настоящее время принято считать,

113

что любые взаимодействия каких угодно объектов могут быть

сведены к ограниченному классу четырех основных видов

фундаментальных взаимодействий: сильному, электромагнитному,

слабому и гравитационному. Интенсивность взаимодействия

принято характеризовать с помощью так называемой константы

взаимодействия, которая представляет собой безразмерный

параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных

данным видом взаимодействия. Отношение значений констант дает

относительную интенсивность соответствующих взаимодействий.

Кратко охарактеризуем каждый из этих четырех видов

взаимодействий.

Сильные (ядерные) взаимодействия. Наличие в ядрах

одинаково заряженных протонов и нейтральных частиц говорит о

том, что должны существовать взаимодействия, которые гораздо

интенсивнее электромагнитных, ибо иначе ядро не могло

образоваться. Эти взаимодействия (их называют сильными)

проявляются лишь в пределах ядра. Этот вид взаимодействия

обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа сильного

взаимодействия имеет величину порядка 1. Наибольшее расстояние,

на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия

), составляет примерно 10

-13

см.

Электромагнитные взаимодействия. Ими обусловлены связи

в атомах, молекулах и обычных макротелах. Энергия ионизации

атома, т. е. энергия отрыва электрона от ядра, определяет значение

электромагнитного взаимодействия, существующего в атоме.

Теплота парообразования, т. е. энергия перехода жидкость — пар

(при атмосферном давлении), определит, правда довольно грубо,

значение межмолекулярных взаимодействий в теле. Последние же

имеют электромагнитное происхождение. Константа

взаимодействия равна 10

-3

. Радиус действия не ограничен ( ).

Слабое взаимодействие. Это взаимодействие ответственно за

все виды Р-распада ядер (включая е-захват), за многие распады

элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия

нейтрино с веществом. Константа взаимодействия равна по порядку

величины 10

-15

. Слабое взаимодействие, как и сильное,

114

является короткодействующим. Как отмечалось, из большого списка

элементарных частиц только электрон, протон, фотон и нейтрино

всех типов являются стабильными. Под влиянием "внутренних

причин" нестабильные свободные частицы за те или иные

характерные времена превращаются в другие частицы. Медленные

распады с характерным временем 10

-10

—10

с происходят за счет

так называемого слабого взаимодействия, тогда как быстрый распад

(10

-16

с) происходит под влиянием электромагнитных

взаимодействий.

Гравитационные взаимодействия (тяготения). Притяжение

тел к Земле, существование Солнечной системы, звездных систем

(галактик) обусловлено взаимодействием сил тяготения, или иначе

— гравитационными взаимодействиями. Эти взаимодействия

универсальны, т. е. применимы к любым микро- и макрообъектам.

Однако они существенны лишь для тел огромных астрономических

масс и для формирования структуры и эволюции Вселенной как

целого. Гравитационные взаимодействия очень быстро ослабевают

для объектов с малыми массами и практически не играют роли для

ядерных и атомных систем. Проявления гравитации количественно

были изучены одними из первых. Это не случайно, ибо источником

гравитации являются массы тел, а дальность гравитационного

взаимодействия не ограничена. Константа взаимодействия имеет

значение порядка 10

-39

. Радиус действия не ограничен (r = °°).

Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему

подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в

процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой

роли не играет. Характеристики видов взаимодействий приведены в

табл. 6.1. В вопросах строения и развития мира как целого роль

гравитации становится определяющей. Исследование же

конкретных небесных объектов (звезд, пульсаров, квазаров и др.)

невозможно без привлечения всех видов фундаментальных

взаимодействий.

Несомненно, приведенная классификация взаимодействий

отражает современный уровень развития науки. В будущем,

возможно, взаимодействия будут либо объединены, либо их

останется меньше, если обнаружатся связи между константами

115

взаимодействия. Например, уже удалось описать в рамках

единой теории электромагнитное и слабое взаимодействия.

Между константами взаимодействия и характеристиками

Вселенной существует какая-то удивительная зависимость.

Например, отношение радиуса Метагалактики (R = 5 10

см) к

размерам атома равно отношению электромагнитных и

гравитационных сил, действующих между элементарными

частицами.

6.2. Концепции близкодействия и дальнодействия

Наши представления о физической

реальности никогда не могут быть

окончательными.

А. Эйнштейн

Близкодействие и дальнодействие—это взаимно

противоположные взгляды для объяснения взаимодействия

материальных

116

структур. По концепции близко действия любое взаимодействие на

материальные объекты может быть передано только между

соседними точками пространства за конечный промежуток времени.

Дальнодействие допускает действие на расстоянии мгновенно с

бесконечной скоростью, т. е. фактически вне времени и

пространства. После Ньютона эта концепция получает широкое

распространение в физике, хотя он сам понимал, что введенные им

силы дальнодействия (например, силы тяготения) являются лишь

формальным приближенным приемом, позволяющим дать верное в

некоторых пределах описание наблюдаемых явлений.

Окончательное утверждение принципа близкодействия пришло с

выработкой концепции физического поля как материальной среды.

Уравнения поля описывают состояние системы в данной точке в

данный момент времени как зависящее от состояния в ближайший

предшествующий момент в ближайшей соседней точке. Если

электромагнитное поле может существовать независимо от

материального носителя, то электрическое взаимодействие нельзя

объяснить мгновенным действием на расстоянии. Поэтому

дальнодействие Ньютона уступило место близкодействию, полям,

распространяющимся в пространстве с конечной скоростью. Таким

образом, согласно современной науке, взаимодействия между

структурами передаются посредством соответствующего поля с

конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.

6.3. Вещество, поле, вакуум. Принцип

суперпозиции

Господи, дай мне разум и душевный

покой, чтобы принять смиренно то,

что я не в силах изменить; дай мне

мужество, чтобы изменить то, что я

в состоянии изменить; дай мне

мудрость, о господи, чтобы не путать

первое со вторым!

Из Екклесиаста

Вся совокупность элементарных частиц с их взаимодействиями

проявляет себя макроскопически в форме вещества и

117

поля. Поле в отличие от вещества обладает особыми свойствами.

Физическая реальность электромагнитного поля видна хотя бы из

того, что существуют радиоволны. Источником электромагнитного

поля являются движущиеся заряженные частицы. Взаимодействие

зарядов происходит по схеме: частица — поле — частица. Поле

является переносчиком взаимодействия. В некоторых условиях поле

может "оторваться" от своих источников и свободно

распространяться в пространстве. Такое поле носит волновой

характер.

Как получают сведения о состоянии вещества звезд? Атомные

процессы, которые разыгрываются во внешних оболочках звезд,

сопровождаются излучением электромагнитных волн. Одним из

таких процессов является возбуждение атомов, ведущее к

излучению ряда характерных "порций" энергии электромагнитного

поля (спектр). У каждого химического элемента имеется свой,

только ему присущий спектр излучения. Анализируя, например,

солнечный свет (свет является электромагнитным излучением) с

помощью оптических приборов, можно определить химический

состав и процентное содержание элементов во внешних оболочках

Солнца.

В современной естественно-научной картине мира как

вещество, так и поле состоят из элементарных частиц, а частицы

взаимодействуют друг с другом, взаимопревращаются. На уровне

элементарных частиц происходит взаимопревращение поля и

вещества. Так, фотоны могут превратиться в электронно-

позитронные пары, а эти пары в процессе взаимодействия

уничтожаются (аннигилируются) с образованием фотонов. Более

того, вакуум тоже состоит из частиц (виртуальных частиц), которые

взаимодействуют как друг с другом, так и с обычными частицами.

Таким образом, исчезают фактически границы между веществом и

полем и даже между вакуумом, с одной стороны, и веществом и

полем — с другой. На фундаментальном уровне все грани в природе

действительно оказываются условными. В современной

естественно-научной картине мира вещество и поле

взаимопревращаются. Поэтому в настоящее

118

время предпринимаются настойчивые попытки создать единую

теорию всех видов взаимодействий.

При наличии нескольких полей для определения

результирующего взаимодействия применяют принцип

суперпозиции. Принцип суперпозиции в естествознании позволяет

получать результирующий эффект от наложения (суперпозиции)

нескольких независимых взаимодействий как сумму эффектов,

вызываемых каждым взаимодействием в отдельности. Он

справедлив для систем, описываемых линейными уравнениями.

Принцип суперпозиции широко используется в механике, теории

колебаний и волновой теории физических полей. В квантовой

механике принцип суперпозиции относится к волновым функциям.

Согласно этому, если физическая система может находиться в

состояниях, описываемых двумя или несколькими функциями, то

система может также находиться в состоянии, описываемом любой

линейной комбинацией этих функций.

6.4. Фундаментальные постоянные мироздания

Порядок — первый закон Небес.

Александр Поп

Фундаментальные мировые постоянные — это такие

константы, которые дают информацию о наиболее общих,

основополагающих свойствах материи. К таковым, например,

относятся G, с, е, h, m

и др. Общее, что объединяет эти константы,

— это содержащаяся в них информация. Так, гравитационная

постоянная G является количественной характеристикой

универсального, присущего всем объектам Вселенной

взаимодействия — тяготения. Скорость света с есть максимально

возможная скорость распространения любых взаимодействий в

природе. Элементарный заряд е — это минимально возможное

значение электрического заряда, существующего в природе в

свободном состоянии (обладающие дробными электрическими

зарядами кварки, по-видимому, в свободном состоянии существуют

лишь в сверхплотной и горячей кварк-глюонной плазме).

Постоянная

119