ФИЗИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ КОНЦЕПЦИИ

ФИЗИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ

6.1. Материя, движение и взаимодействие, структурная организация материи

В картине мира ключевым является понятие “материя”, на которое выходят важнейшие проблемы естествознания. О важности этого понятия говорит и тот факт, что смена картин мира связана со сменой представлений о материи. Самое общее определение материи дает философия, рассматривая ее как объективную реальность, существующую независимо от человеческого восприятия. Все, что нас окружает, и вблизи, и в космических далях, все, что мы наблюдаем, объединяется одним термином – материя.

Весь материальный мир можно разделить на три “царства”: нанеживую природу или “косное” вещество (по Вернадскому), живую природу (живое вещество) и общество. Хотя границы между ними достаточно размыты, переход от одного к другому при развитии материи представляет собой целую революцию. Каждая из них означает качественное изменение естественного хода вещей и характера развития материи.

В физике понятие материи включает в себя различные виды существования веществаи поля. В последнее время сюда также включают и физический вакуум. К веществу относят физические тела (твердые, жидкие, газообразные и плазму), молекулы, атомы, элементарные частицы, к полям – свет, радиоволны, гравитацию и др. Физический вакуум – это пространство, в котором отсутствуют реальные частицы и выполняется условие минимума плотности энергии в данном объеме. Это не пустота, как считали когда-то, он не безжизнен и безлик, а полон энергии. Вакуум – сложная система, обладающая свойствами, совершенно непохожими на свойства твердой среды, жидкости или газа. В нем постоянно происходят непрерывные колебания (флуктуации) электромагнитных и других полей, рождаются и уничтожаются элементарные частицы, но все взаимодействия (электрическое, магнитное, гравитационное, ядерное) передаются от точки к точке. Природа физического вакуума и его строение изучены намного хуже вещества и поля. Однако вакуум и вещество неразделимы, ни одна вещественная частица не может быть изолирована от его присутствия и его влияния.

Неотъемлемым свойством материи является движение. Материя существует только в движении, абсолютного покоя нет. Под движением понимают не только перемещение тел относительно друг друга (механическое движение), но и любое изменение его свойств, состояний, связей и т.д., другими словами, существуют различные формы движения материи. В физике движение рассматривается в самом общем виде, как изменение состояния или другой физической величины. Движение – это форма, способ существования материи. Движение невозможно уничтожить. Это хорошо понимали уже древние греки, ведь именно им принадлежит высказывание: “все течет, все изменяется”.

Связь и взаимодействиетакже представляют важнейшие свойства материи, без которых невозможно ее существование. Взаимодействие – это процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Оно выступает как движение материи, а движение включает в себя различные виды взаимодействий. Для всякого объекта существовать – значит взаимодействовать, как-то проявлять себя по отношению к другим объектам. Только через взаимодействие можно узнать о существовании объекта.

Важнейшими первичными фундаментальными понятиями, с помощью которых описывают материю, ее движение и взаимодействие, считаются понятия “частицы” и “волны”. Представление о частицах и волнах в классической физике основано на их противопоставлении друг другу. Во многих отношениях их свойства рассматриваются как прямо противоположные. Свое происхождение они ведут из мира обычного повседневного опыта.

Под частицей понимают нечто строго локализованное в пространстве и для определенных процессов относительно неделимое, сохраняющее свою индивидуальность. Движение частицхарактеризуют траекторией; они не могут огибать препятствия,не проникают друг через друга, переносят импульс и энергию,имеют массу. Простейший физический образ частицы – малая доля любого материального объекта, некий твердый “мини-шарик”,перемещающийся в абсолютно пустом пространстве. Модель частицы используется для описания вещества. Она является достаточно универсальной: в определенных условиях и реальная элементарная частица, и пылинка, и планета могут рассматриватьсякак частицы. Модель частицы проста, поскольку для ее описаниятребуется всего лишь два независимых параметра – местоположение (координаты) и время. В классической физике движениечастицы сводится к наглядному процессу перемещения вдоль траектории в пространстве.

Понятие волны возникло в науке значительно позже, но оно тоже связано с повседневным опытом. Для волн, в отличие от частиц, характерны отсутствие строгой локализации в пространстве – они заполняют часть или все пространство, возможность разложения на отдельные компоненты, которые являются такими же волнами, как и исходная, возможность наложений (суперпозиции) волн. С помощью понятия волны также описывают различные поля, которые обуславливают взаимодействие между частицами. Можно сказать, что волна – это состояние (движение, возмущение), которое было сначала в одном месте, затем оказывается в другом. Другими словами, волна – это распространение (передача) колебаний из одного места в другое, соседнее (от точки к точке). Волны могут интерферировать при наложении друг на друга, дифрагировать; как и частицы, они переносят энергию и импульс.

Частицы выступают как носители дискретности (корпускулярности), а волны – как носители непрерывности или сплошности материи. Дискретность (прерывность) означает конечную делимость пространственно-временного строения объекта,его свойств и форм, а также скачки. Непрерывность выражаетединство, целостность, неделимость объекта. Для непрерывногонет границ делимости.

Весь исследуемый мир в физике делится на микро-, макро-и мегамир. Хотя на этих уровнях действуют свои специфические законы, они между собой взаимосвязаны, и часто такое разделение оказывается достаточно условным. Микромир соответствует пространственным масштабам размера атома и меньше. Сюда относятся: элементарные частицы и атомные ядра, атомы и молекулы. Размер атома составляет величину 10−8 − 10−9 см, размеры электрона, ядер и других элементарных частиц намного меньше. Макроскопическими считаются масштабы 10−6 – 10 7 см, как говорят, это явления ”человеческих” масштабов (по размерам, энергии, температуре и т.д.). Когда говорят “макроскопическое тело”, то под этим подразумевают, что оно состоит из большого числа атомов или молекул. В этом смысле макроскопическим является любой живой организм, начиная от бактерии. Если бы этого не было, то упорядоченность, необходимая для жизни, разрушалась бы флуктуациями. Объекты и явления планетарного масштаба, Вселенную, космос называют мегамиром. Как и в микромире, его масштабы также не поддаются нашему воображению. Каждому из них, согласно Вернадскому, соответствует свое понимание реальности.

Естествознание изучает разные формы движения материи. Простейшей формой является механическое движение – перемещение тел в пространстве. Следующая, более сложная, – это физическая форма движения материи: теплота, электричество, звук, ядерные реакции и др. В основе всех этих процессов лежат фундаментальные взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Например, теплота – это макроскопическая форма движения, выступающая в виде движения и столкновения атомов и молекул в телах, а также взаимодействия излучения и вещества. Мерой интенсивности теплового движения является температура, которая пропорциональна кинетической энергии частиц, составляющих тело, либо энергии поглощаемого излучения. Нижний предел температуры – абсолютный нуль, равный −273, 15 С; верхнего предела не установлено. К отдельным элементарным частицам и атомным ядрам понятие температуры и теплоты не применимо. Любые физические формы движения материи в конечном счете – это проявление глубинных свойств материи – фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого. Еще сложнее химическая форма движения материи. Наиболее сложной формой движения в природе считается биологическая форма движения материи – жизнь как особая форма движения материи. Жизнь на Земле необычайно многообразна по своим проявлениям и, по существу, представляет собой систему взаимосвязанных форм движения.

6.2. Концепции атомизма и поля

С определенной точки зрения развитие наших знаний о строении материи можно представить как непрерывную борьбу двух противоположных концепций: концепции прерывности (дискретности) и концепции непрерывности или континуальности (континуум означает непрерывное множество). Концепцию дискретности отражает идея атомизма, а континуальности – идея физического поля. С ними было связано и решение проблемы взаимодействия, выступавшее в виде дальнодействия и близкодействия.

Поиск по сайту: