Современные представления о материи: структурные уровни организации материи

Шаг за шагом физика раскрывала новые свойства материального мира. В частности, было обнаружено единство прерывного и непрерывного начал в строении материи, что отразилось в понятиях вещества и поля как фундаментальных ее видах, выражающих дискретность материального мира (атомная структура вещества) и его непрерывность (полевые структуры). Если понятие вещества как формы материи было известно давно, то обнаружение полевых структур материи происходит только в XIX веке, когда М. Фарадей и Дж. Максвелл разработали концепцию поля как самостоятельной физической реальности.

С появлением квантовых представлений в центре внимания ученых — процесс диалектического синтеза противоположностей прерывного и непрерывного. Корпускула (частица) понимается как нечто строго локализованное в пространстве; поле (волна) характеризуется отсутствием подобной локализации в пространстве, невозможностью разложения на отдельные элементы и наложением волн. Частицы выступают как носители дискретности, а волны — носители непрерывности. Первоначально в физике выдвигалась идея, что свойства прерывности и непрерывности абсолютно противоположны и не совместимы. Но уже в 1900 году М. Планк, исследуя проблему излучения абсолютно черного тела, высказал предположение, что энергия электромагнитных волн излучается и поглощается в виде определенных квантов энергии. В дальнейшем А. Эйнштейн вводит в физику понятие кванта света (фотона), что позволило ему разрешить загадку фотоэффекта, необъяснимую, если исходить из волновой теории света.

Но объяснить природу света, исходя только из его понимания как потока корпускул, тоже было нельзя (в частности, с этих позиций невозможно объяснить такие точно установленные свойства света, как интерференция и дифракция, допускавших только волновое объяснение). Поэтому Л. де Бройль выдвигает гипотезу о наличии у микрочастиц волновых свойств, а Э.Шредингер открывает основной закон движения микрообъектов (волновое уравнение Шредингера). Почти одновременно со Шредингером В. Гейзенберг строит матричную механику, что утвердило корпускулярно-волновой дуализм в физике.

Однако общепринятого физического осмысления данного явления нет и до сих пор (Л. де Бройль выдвинул для объяснения этого феномена теорию так называемой волны-пилота, согласно которой существует классическая частица, но ее движение управляется связанной с ней волной; Э. Шредингер пытался решить проблему на путях отрицания реальности частиц: физической реальностью он объявил Ψ-волны; М. Борн обосновывал статическую интерпретацию Ψ-функции; В. Фок определил Ψ-функцию как описывающую потенциальные возможности взаимодействия микрообъекта с классическим прибором). И, тем не менее, квантовая теория поля прочно утвердила идею, что любой элементарной частице сопоставляется соответствующее поле и, наоборот, каждому полю сопоставляются частицы, рассматриваемые как кванты этого поля. Задача осмысления корпускулярно-волнового дуализма привела Бора к формулированию принципа дополнительности, по которому для воспроизведения целостности изучаемого предмета (явления) необходимо применять взаимоисключающие и взаимоограничивающие друг друга классы понятий. Лишь взятые вместе, они исчерпывают всю известную информацию о данном объекте. Информация, даваемая экспериментами по изучению корпускулярных свойств микрообъекта, и информация, полученная из экспериментов по исследованию его волновых свойств, исключают друг друга, но в то же время обе необходимы для его полного описания, дополняя друг друга. Микрообъект - не частица и не волна взятые в отдельности, а единство и того и другого.

Таким образом, в современной естественнонаучной картине мира прочно закрепилась мысль о двух видах материи - веществе и поле, хотя в последние годы появилась гипотеза в соответствии с которой некоторые авторы добавляют и третий вид - физический вакуум. Различия вещества и поля достаточно легко фиксируются лишь на уровне макромира, вместе с тем граница между названными видами становится прозрачной на уровне микрообъектов. Среди фиксируемых различий вещества и поля выделяются следующие:

• по массе покоя (частицы вещества обладают такой массой, а электромагнитные и гравитационные поля, проявляющие себя на уровне макромира, нет; однако уже на уровне ядерных полей это различие не проявляется, так как кванты этих полей обладают конечной массой покоя);

• по закономерностям движения (скорость распространения электромагнитного и гравитационного полей всегда равна скорости света в вакууме (с), а скорость движения частицы вещества всегда меньше с. Но для квантов ядерных полей невозможна скорость движения, равная с);

• по степени проницаемости вещество, в отличие от поля, малопроницаемо. Опять же на уровне микромира данное различие фиксируется не всегда (нейтрино как частица вещества оказывается сильно проницаемой, а вот ядерные поля малопроницаемы);

• по степени концентрации массы и энергии (очень большая у частиц и очень малая у электромагнитного и гравитационного полей; в микромире ядерные поля обладают огромной концентрацией массы и энергии);

• по сущностным характеристикам: вещество как корпускулярная, а поле— как волновая сущность. Но данное различие исчезает на уровне микромира, где вещество и поле выступают как дополнительные характеристики, выражающие внутренне противоречивую сущность микрообъектов.

Говоря о третьем виде материи - физическом вакууме, отметим, что согласно квантовой теории поля, частицы, обладающие массой, могут рождаться из физического вакуума, представляющего собой совокупность частиц с соответствующими им античастицами при достаточно высокой концентрации энергии.

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 ≈ 2·1030 кг

• Солнечная система: d ≈ 1016 м, m ≈ 2.002·1030 кг

• наблюдаемая Вселенная: r ≈ 1026 м, m ≈ 1050 кг.