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;
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;
Коллективы разных уровней;
Социальные группы (классы, страты);
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. 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. 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. 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.
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. 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.
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.
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. 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.
Основополагающим элементом изучения подавляющего количества естественных наук является материя. В этой статье мы рассмотрим материи, формы её движения и свойства.
Что такое материя?
На протяжении многих веков понятие материи менялось и совершенствовалось. Так, древнегреческий философ Платон видел её как субстрат вещей, который противостоит их идее. Аристотель же говорил, что это нечто вечное, что не может быть ни сотворено, ни уничтожено. Позже философы Демокрит и Левкипп дали определение материи как некой основополагающей субстанции, из которой состоят все тела в нашем мире и во Вселенной.
Современное понятие материи дал В. И. Ленин, согласно которому она является самостоятельной и независимой объективной категорией, выражаемой человеческим восприятием, ощущениями, она также может быть скопирована и сфотографирована.
Атрибуты материи
Главными характеристиками материи являются три признака:
- Пространство.
- Время.
- Движение.
Первые два отличаются метрологическими свойствами, то есть их можно количественно измерить специальными приборами. Пространство измеряется в метрах и его производных величинах, а время в часах, минутах, секундах, а также в сутках, месяцах, годах и т. д. У времени есть также другое, не менее важное свойство - необратимость. Нельзя вернуться на какую-либо исходную временную точку, вектор времени всегда имеет одностороннюю направленность и движется от прошлого к будущему. В отличие от времени, пространство - более сложное понятие и имеет трёхмерное измерение (высота, длина, ширина). Таким образом, все виды материи могут передвигаться в пространстве за определённый промежуток времени.
Формы движения материи
Всё, что нас окружает, передвигается в пространстве и взаимодействует друг с другом. Движение происходит непрерывно и является главным свойством, которым обладают все виды материи. Между тем этот процесс может протекать не только при взаимодействии нескольких объектов, но и внутри самого вещества, обуславливая его видоизменения. Различают следующие формы движения материи:
- Механическая - это перемещение предметов в пространстве (падение яблока с ветки, бег зайца).
- Физическая - возникает, когда тело изменяет свои характеристики (например, агрегатное состояние). Примеры: тает снег, испаряется вода и т. д.
- Химическая - видоизменение химического состава вещества (коррозия металла, окисление глюкозы)
- Биологическая - имеет место в живых организмах и характеризует вегетативный рост, обмен веществ, размножение и др.
- Социальная форма - процессы социального взаимодействия: общение, проведение собраний, выборов и т. д.
- Геологическая - характеризует движения материи в земной коре и недрах планеты: ядре, мантии.
Все вышеназванные формы материи взаимосвязаны, взаимодополняют и взаимозаменяют друг друга. Они не могут существовать самостоятельно и не являются самодостаточными.
Свойства материи
Древняя и современная наука приписывали материи множество свойств. Самое распространённое и очевидное - это движение, однако имеются и другие универсальные свойства:
- Она несотворима и неуничтожима. Это свойство означает, что любое тело или вещество какое-то время существует, развивается, перестаёт существовать как исходный объект, однако материя не прекращает своего существования, а просто превращается в другие формы.
- Она вечна и бесконечна в пространстве.
- Постоянное движение, преобразование, видоизменение.
- Предопределённость, зависимость от порождающих факторов и причин. Данное свойство является своего рода объяснением происхождения материи как следствия определённых явлений.
Основные виды материи
Современные ученые выделяют три фундаментальных вида материи:
- Вещество, обладающее определённой массой в состоянии покоя, представляет собой наиболее распространённый вид. Оно может состоять из частиц, молекул, атомов, а также их соединений, которые образуют физическое тело.
- Физическое поле - это особая материальная субстанция, которая призвана обеспечивать взаимодействие объектов (веществ).
- Физический вакуум - является материальной средой с наименьшим уровнем энергии.
Вещество
Вещество - вид материи, главным свойством которого является дискретность, то есть прерывистость, ограниченность. В его структуру входят мельчайшие частицы в виде протонов, электронов и нейтронов, из которых состоит атом. Атомы соединяются в молекулы, формируя вещество, которое, в свою очередь, образует физическое тело или текучую субстанцию.
Любое вещество обладает рядом индивидуальных характеристик, отличающих его от других: масса, плотность, температура кипения и плавления, структура кристаллической решётки. При определённых условиях разные вещества можно соединять и смешивать. В природе они встречаются в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. При этом конкретное агрегатное состояние лишь соответствует условиям содержания вещества и интенсивности молекулярного взаимодействия, но не является его индивидуальной характеристикой. Так, вода при разных температурах может принимать и жидкую, и твёрдую, и газообразную форму.
Физическое поле
Виды физической материи включают и такую компоненту, как физическое поле. Оно представляет собой некую систему, в которой материальные тела взаимодействуют. Поле является не самостоятельным объектом, а, скорее, носителем специфичных свойств образовавших его частиц. Таким образом, импульс, высвобожденный от одной частицы, но не поглощённый другой, является принадлежностью поля.
Физические поля - это реальные неосязаемые формы материи, обладающие свойством непрерывности. Их можно классифицировать по различным критериям:
- В зависимости от полеобразующего заряда выделяют: электрическое, магнитное и гравитационное поля.
- По характеру движения зарядов: динамическое поле, статистическое (содержит неподвижные относительно друг друга заряженные частицы).
- По физической природе: макро- и микрополя (создаются движением отдельных заряженных частиц).
- В зависимости от среды существования: внешнее (которое окружает заряженные частицы), внутреннее (поле внутри вещества), истинное (суммарное значение внешнего и внутреннего полей).
Физический вакуум
В XX веке в физике как компромисс между материалистами и идеалистами для объяснения некоторых явлений появился термин "физический вакуум". Первые приписывали ему материальные свойства, а вторые утверждали, что вакуум - это не что иное, как пустота. Современная физика опровергла суждения идеалистов и доказала, что вакуум - это материальная среда, также получившая название квантового поля. Число частиц в нём приравнивается к нулю, что, однако, не препятствует кратковременному возникновению частиц в промежуточных фазах. В квантовой теории уровень энергии физического вакуума условно принимается за минимальный, то есть равный нулю. Однако экспериментально доказано, что энергетическое поле может принимать как отрицательные, так и положительные заряды. Существует гипотеза, что Вселенная возникла именно в условиях возбуждённого физического вакуума.
До сих пор не до конца изучена структура физического вакуума, хотя и известны многие его свойства. Согласно дырочной теории Дирака, квантовое поле состоит из движущихся квантов с одинаковыми зарядами, неясным остаётся состав самих квантов, скопления которых перемещаются в виде волновых потоков.
Материя" - одно из фундаментальнейших понятий философии. Однако в различных философских системах его содержание понимается по-разному. Для идеалистической философии, например, характерно то, что она или совсем отвергает существование материи или отрицает ее объективность. Так, выдающийся древнегреческий философ Платон рассматривает материю как проекцию мира идей. Сама по себе материя у Платона ничто. Для того, чтобы превратиться в реальность, в ней должна воплотиться какая-нибудь идея.
У последователя Платона, Аристотеля, материя тоже существует лишь как возможность, которая превращается в действительность только в результате соединения ее с формой. Формы же в конечном итоге берут свое начало от Бога.
У Г. Гегеля материя проявляется в результате деятельности абсолютной идеи, абсолютного духа, Именно абсолютный дух, идея порождают материю.
Материя - философская категория для обозначения объективной реальности, кот. дана ч-ку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается, нашими ощущениями, существующая независимо от них. В этом определении выделено 2 признака материи: 1) Признание первичности материи по отношении к сознанию (объективность ощущения) 2) Признание принципиальной познаваемости мира. Ленин разграничивает философское понимание материи и естественнонаучные знания о существующем мире. Ленин способствовал преодолению кризиса в физике, связанного с включением принципа структурности материи и делимости атомов в научную картину мира.
МАТЕРИЯ (по Ленину) – есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана ч-ку в его ощущениях, которая копируется, фотографируется нашими чувствами, существуя независимо от них. Материя – это субстанция нашего мира. Субстанция – субстрат (некая основа, носитель) + его св-ва. Если раньше материя отождествлялась с атомом, то сейчас открыт электрон и материя относительна, природа бесконечна.
Виды материи : 1) Вещество – вид материи, имеющий массу покоя. Твердое, жидкое, газообразное, плазма. 2) Поле – не имеет массы покоя. Форма материи – совокупность различных материальных объектов и систем, обладающих единой качественной определенностью, проявляющ в общих св-вах и специфич для данной формы материи способов существования. Формы: 1) Социальная (ч-к, человеч общ-во, труд). 2) Биологическая (живая природа). 3) Химическая (атомы). 4) Физическая (низший – атомы, молекулы, поля).
В современной науке широко используется метод структурного анализа , при котором учитывается системность исследуемых объектов. Ведь структурность - это внутренняя расчлененность материального бытия, способ существования материи. Структурные уровни материи образованы из определенного множества объектов какого-либо вида и характеризуются особым способом взаимодействия между составляющими их элементами. Применительно к трем основным сферам объективной действительности эти уровни выглядят следующим образом:
|
Неорганическая природа |
Живая природа |
Общество |
|
1.Субмикроэлементарный |
Биологический макромолекулярный |
|
|
2. Микроэлементарный |
Клеточный |
|
|
3. Ядерный |
Микроорганический |
Коллективы |
|
4.Атомарный |
Органы и ткани |
Большие социальные группы (классы, нации) |
|
5. Молекулярный |
Организм в целом |
Государство (гражданское общество) |
|
6. Макроуровень |
Популяция |
Системы государства |
|
7. Мегауровень (планеты, звездопланетные системы, галактики) |
Биоценоз |
Человечество в целом |
|
8. Метауровень (метагалактики) |
Биосфера |
Ноосфера |
Изучение проблем, связанных с философским анализом материи и её свойств является необходимым условием формирования мировоззрения личности, независимо от того, окажется ли оно в конечном счёте материалистическим или идеалистическим.
В свете изложенного достаточно очевидно, что очень важна роль определения понятия материи, понимания последней как неисчерпаемой для построения научной картины мира, решения проблемы реальности и познаваемости объектов и явлений микро- и мегамира.
Разумно такое определение: "...Материя есть объективная реальность, данная нам в ощущении"; "Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них". (В первом случае речь идет о материи как категории бытия, онтологической категории, во втором - о фиксирующем ее понятии, категории гносеологической).
В рамках современных научных представлений материя(лат. materia) есть основа всего множества существующих в мире объектов и систем, всех их свойств, связей и форм. Через нее проявляется родство всего сущего. В философии это одна из основополагающих категорий, которая используется для обозначения «объективной реальности, которая.... отображается нашими ощущениями, существует независимо от них» (В. Ленин).
Материя - это объективная реальность, данная нам в ощущениях и существующая независимо от них.
Важнейшими свойствами материи, которые появились на определенном этапе ее эволюции и которые проявляются лишь у самой высокоорганизованной ее части - человека, являются разум и сознание. На протяжении всего культурно-исторического развития не утихают споры о том, что первично: материя или сознание. Наука считает первичной материю, как первопричину всего сущеcтвующего.
Материя пребывает в виде прерывных (вещества) и непрерывных (полей разной природы) объектов. Из вещества сложены все тела природы. Оно представляет совокупность дискретных (лат. discretus - разделенный, прерывистый) образований, сосредоточенных в определенной области пространства. Их элементарными структурными единицами являются атомы и молекулы, которые представляют системы взаимодействующих электронов, протонов, нейтронов и других элементарных частиц.
Современной наукой достаточно хорошо изучены три агрегатных состояния (фазы) вещества - твердое, жидкое и газообразное. При определенных условиях (температура, давление, напряженность электрического поля) одно состояние может переходить в другое. В результате фазового перехода изменяются механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические и другие свойства вещества. Это связано с изменением характера взаимодействия и движения атомов, молекул и других частиц, из которых состоит вещество. Особое состояние вещества представляет плазма - ионизованный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны. В плазменном состоянии находится бо¢льшая часть вещества Вселенной (звезды, туманности, межзвездная среда).
Сами тела или их части являются источникомфундаментальных полей - непрерывных и безграничных объектов, которые пронизывают все пространство Вселенной и способны воздействовать на другие, идентичные им объекты (или передавать взаимодействие тел на расстоянии). Слово «поле» широко используется в разных отраслях знаний и понимается как совокупность точек реального или воображаемого пространства, объединенных в целое на основе какого-либо их общего свойства. Например, поле рациональных чисел в математике, семантические поля в языке, поля температур, деформаций и скоростей в физике. К фундаментальным физическим полям, проявляющимся в той или иной степени во всех явлениях и процессах природы, относят гравитационное, электромагнитное, сильное (ядерное) и слабое (распадное).
Наличие поля связывают со свойством материи, которое называют заряд. Каждый носитель материи в общем случае является обладателем (источником) нескольких типов зарядов. В качестве таковых выступают хорошо известные из школьного курса физики масса и электрический заряд. Масса является эквивалентом (лат. aequivalens - равноценный) гравитационного заряда. С одной стороны, она проявляется в способности тел создавать вокруг себя гравитационное полеи через него воздействовать на другие тела, притягивать их к себе, а с другой - проявляется в инерции, стремлении тел сохранять свое состояние. Электрический заряд создает вокруг себя электромагнитное поле и через него взаимодействует с другими электрическими зарядами, притягивая или отталкивая их в зависимости от знака последних. Каждый из видов заряда является источником соответствующего поля. Но при этом взаимодействуют между собой только однотипные заряды. Поля имеют волновую природу. Их носителями являются элементарные кванты энергии и соответствующие им элементарные частицы. Само взаимодействие материальных объектов представляет собой процесс обмена элементарными квантами.
Гравитационное поле является определяющим во всех явлениях мегамира. Его носителем является гравитон (который ввиду его малости и несовершенства измерительной аппаратуры пока не удалось обнаружить). Благодаря гравитации Вселенная, галактики, планетарные системы существуют как единое целое, планеты Солнечной системы удерживаются на своих орбитах, воздушная оболочка Земли сосредотачивается вблизи ее поверхности. Гравитационное сжатие звезд обеспечивает повышение их температуры до нескольких тысяч градусов и выше. При таких температурах в их недрах активно протекают термоядерные реакции, благодаря которым в околозвездное пространство поступают огромные потоки энергии.
Электромагнитное поле является определяющим в молекулярных и атомных системах, обеспечивая их целостность, химические и физические свойства. Это поле является основным переносчиком энергии и информации в мега- и макромире. Его носителем является фотон. Сильное поле удерживает нуклоны в ядрах атомов и обеспечивает целостность этих систем, а также протекание сильных внутриядерных процессов, которые могут сопровождаться выделением огромных энергий. Слабые поля проявляются на микроуровне при протекании таких процессов, как b- распад. Их носителями являются глюоны, которые в свободном виде пока не удалось обнаружить, однако есть косвенные доказательства их существования на промежуточных стадиях превращения тяжелых элементарных частиц.
Деление материи на вещество и поле чрезвычайно важно. Это помогает при изучении одной из форм абстрагироваться от другой и более детально изучить их свойства по отдельности. Но это деление весьма условно, особенно если это касается мира элементарных частиц, где наиболее ярко проявляется их взаимопревращаемость , а разделение вещества и поля вообще теряет смысл. Кроме того, во всем пространстве существования материи на долю поля приходится гораздо больший объем, чем на собственно вещество. Сегодня ученые выдвигают гипотезу о существовании физического (или динамического) вакуума - как некой праматерии, в которой вещество и поле составляют единство, из которого рождаются как частицы, так и поля.
Большинство людей могут легко назвать три классических состояния материи: жидкое, твердое и газообразное. Те, кто хотя бы немного интересовался физикой, добавят к этому списку плазму. Но на самом деле сегодня учёные существенно расширили список возможных состояний материи. Сегодня их, как минимум, десять.
1. Аморфные тела
Аморфные твердые вещества - необычная подгруппа известного твердого состояния материи. В обычном твердом объекте молекулы высоко организованы и не могут свободно передвигаться. Это придает твердому веществу высокую вязкость, которая является мерой сопротивления. А в жидкости - наоборот, молекулярная структура дезорганизована, что позволяет молекулам свободно двигаться, а жидкости - принимать форму сосуда, в который ее наливают.
Аморфное твердое вещество находится на полпути между этими двумя состояниями материи. Во время процесса, известного как витрификация, жидкость охлаждается и его вязкость повышается до такой степени, что она больше не течет подобно жидкости, но ее молекулы остаются неупорядоченными и не образуют кристаллическую структуру, как у нормального твердого вещества. Наиболее распространенным примером аморфного твердого вещества является стекло.
2. Сверхкритические флюиды
Большинство фазовых переходов из одного состояния в другое происходят при определенных температуре и давлении. Общеизвестно, что повышение температуры в конечном счете превращает жидкость в газ. Однако, когда давление увеличивается вместе с температурой, жидкость вместо этого переходит в сверхкритическое состояние, которое имеет свойства как газа, так и жидкости. Например, сверхкритические жидкости могут проходить сквозь твердые тела, как газ, но могут также действовать в качестве растворителя, как жидкость. Интересно, что сверхкритическая жидкость может обладать большинством свойств газа или жидкости, в зависимости от комбинации давления и температуры.
3. Вырожденное вещество
Аморфные твердые вещества существуют даже на планете Земля, а вырожденная материя может существовать только в звездах определенного типа. Подобная материя существует, когда ее форма и стабильность диктуются не температурой, как на Земле, а сложными квантовыми принципами, подобным принципу Паули. Из-за этого форма вырожденного вещества будет сохраняться, даже если температура вещества снизится до абсолютного нуля.Известны два основных типа вырожденного вещества: электронно-вырожденное вещество и нейтронно-вырожденное вещество. Электронно-вырожденная материя существует в основном в звездах типа белый карлик, при условии, если масса звезды меньше в 1,44 раза, чем масса нашего Солнца. Если звезда массивнее этого предела (известного как предел Чандрасекара), она просто сколлапсируется в нейтронную звезду или черную дыру. А в черной дыре вещество преобразуется в нейтронно-вырожденную форму. Свободные нейтроны (не связанные в атомном ядре), как правило, имеют период полураспада 10,3 минуты, а в ядре нейтронной звезды нейтроны существуют вне ядра, образуя нейтронно-вырожденное вещество.
4. Сверхтекучее вещество
С далеких звезд перейдем вновь к Земле, чтобы обсудить сверхтекучесть. Сверхтекучее - состояние материи, которое существует, когда некоторые изотопы гелия, рубидия и лития охлаждаются до почти абсолютного нуля. Наиболее распространенным является сверхтекучий жидкий гелий. Когда гелий охлаждают до так называемой "точки" лямбда - 2,17 градусов Кельвина, то часть жидкости становится сверхтекучей. При этом атомы гелия взаимодействуют друг с другом так, что он может оставаться жидким вплоть до абсолютного нуля.
Также вещество в данном состоянии имеет очень странные свойства. Сверхтекучая жидкость, помещенная в пробирку, начинает ползти вверх по бокам пробирки, казалось бы, нарушая законы гравитации и поверхностного натяжения. При это жидкий гелий удержать невероятно сложно, поскольку он просачивается через малейшие поры. К примеру, из стандартного термоса, он "загадочно исчезнет" буквально за считанные минуты.
5. Конденсат Бозе-Эйнштейна
Конденсат Бозе-Эйнштейна, вероятно, является одной из самых неизученных и трудных для понимания форм материи. Во-первых, нужно понять, что такое бозоны и фермионы. Фермионов - частицы с полуцелым значением спина, такие как кварки и лептоны. Эти частицы подчиняются принципу Паули, с помощью которого образуется электронно-вырожденное вещество.
Бозон - частица с целым значением спина, а несколько бозонов могут принимать одинаковое квантовое состояние. К бозонам относятся любые частицы с зарядом энергии (например, фотоны). В 1920-х годах Альберт Эйнштейн, основываясь на работах индийского физика Бозе, предположил существование новой формы материи, основу которой составляют бозоны, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю. (меньше миллионной доли градуса выше абсолютного нуля).
Конденсаты Бозе-Эйнштейна очень похожи на сверхтекучее вещество, но имеют свои собственные уникальные свойства. Самым шокирующим является то, что БЭК может замедлить скорость света от его нормальной скорости в 300 000 метров в секунду. В 1998 году Гарвардский исследователь Лене Хау смог замедлить свет до всего лишь 60 километров в час, выстреливая лучом лазера сквозь сигарообразный образец БЭК. В ходе более позднего эксперимента, команда Хау смогла полностью остановить свет в БЭК.
6. Металл Яна-Теллера
Подобное вещество исследователям удалось успешно создать только в 2015 году. Если их эксперименты подтвердятся другими лабораториями, то это может изменить мир, поскольку метал Яна-Теллера обладают свойствами как изолятора, так и сверхпроводника одновременно. В металле, который был назван в честь эффекта Яна-Теллера, давление может преобразовывать геометрическую форму молекул в новые электронные конфигурации. Проще говоря, получившееся вещество может легко менять свое состояние на проводник, изолятор, металл и магнитный материал. Свойства подобного материала изменяются в зависимости от расстояния между атомами в кристаллической решетке. Расстояние же меняют с помощью давления, но не обычного механического, а химического.
7. Фотонная материя
В течение многих десятилетий считалось, что фотоны - частицы, не имеющие массы, которые не взаимодействуют друг с другом. Тем не менее, в последние несколько лет исследователи обнаружили новые способы, чтобы придать свету массу и даже создали "легкие молекулы", которые отражаются друг от друга и образовывают связи друг с другом. Это, по сути, первый шаг к созданию светового меча из "Звездных войн".
8. Неупорядоченная гипероднородность
При попытках перевести вещество в новое состояние материи, ученые смотрят на структуру вещества, а также на его свойства. В 2003 году Сальваторе Торквато и Фрэнк Стиллинжер из Принстонского университета предложили новое состояние материи, названное неупорядоченной гипероднородностью. Что самое интересное, они открыли новое состояние вещества после внимательного изучения глаза цыпленка.
Оказалось, что клетки в сетчатке куриного глаза располагаются хаотично, но при этом равномерно. Вещество в подобном состоянии проявляет свойства жидкости и кристалла одновременно. Казалось бы, подобное возможно только в состоянии плазмы, но природа оказалась хитрее. Предполагается, что подобное открытие может помочь в разработке принципиально инновационных устройств для передачи света.
9. Струнно-сетевая жидкость
Какое состояние материи в вакууме космоса? Большинство людей не задумывались над этим вопросом, но в последнее десятилетие ученые Массачусетского технологического института Сяо Ган-Вэнь Цзябао и Гарвард Майкл Левин предположили гипотетическое новое состояние материи, которое может стать ключом к открытию фундаментальных частиц меньше электрона.
Еще в середине 90-х годов группа ученых заявила о возможности существования так называемых "квази-частиц", поскольку в ходе эксперимента электроны проходили между двумя полупроводниками. Это вызвало настоящий переполох, так как квазичастицы действовали так, как будто они имели дробный заряд, что считалось невозможным в физике. На основании этих данных команда предположила, что электрон не является фундаментальной частицей Вселенной, а также что существуют более фундаментальные частицы, которые люди еще не обнаружили. Их работа получила Нобелевскую премию, но позднее было обнаружено, что результаты были вызваны ошибкой в эксперименте.
Идея "квази-частиц" была опровергнута. Но некоторые исследователи не отказались от нее полностью. Вэнь Цзябао и Левин продолжили работу над "квази-частицами" и предположил существование нового состояния материи, известного как струнно-сетевая жидкость, основным свойством которой является квантовая запутанность. В своих работах, Вэнь Цзябао и Левин заявили, что космос заполнен струнными сетями запутанных субатомных частиц.
10. Кварко-глюонная плазма
Изначально Вселенная пребывала в совсем другом состоянии материи, чем сейчас. Считается, что в природе нет свободных кварков, но сразу после Большого Взрыва, свободные кварки и глюоны существовали в течение миллисекунды. В течение этого времени, температура Вселенной была так высока, что кварки и глюоны взаимодействовали друг с другом.
В течение этого периода времени Вселенная полностью состояла из горячей кварко-глюонной плазмы. Кварко-глюонная плазма− состояние материи, в которой высвобожденные цветные кварки и глюоны образуют непрерывную среду (хромоплазму), а также могут распространяться в ней как квазисвободные частицы. Возникает так называемая "цветопроводимость", которая аналогична электропроводимости, возникающей в обычной электронно-ионной плазме.
Одним из недавних открытий является стала в созвездии Лебедя.
Загрузка...