Вопрос 2. Структурные уровни организации материи.

В естественных науках выделяются два больших класса материальных систем: системы неживой природы, системы живой природы.

В неживой природе в качестве структурных уровней организации материи выделяют физический вакуум, элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы – галактики, системы галактик – метагалактику.

В живой природе к структурным уровням организации материи относят системы доклеточного уровня – нуклеиновые кислоты и белки; клетки как особый уровень биологической организации, представленные в форме одноклеточных организмов и элементарных единиц живого вещества; многоклеточные организмы растительного и животного мира; надорганизменные структуры, включающие виды, популяции и биоценозы и, наконец, биосферу, как всю массу живого вещества.

Промежуточное положение занимают системы, которые включают элементы как живой, так и неживой природы – биогеоценозы.

В естествознании выделяют три уровня строения мира:

Макромир – мир макрообъектов 10^-6-10⁷ см, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в, мм, см, м, км, а время – в сек., мин., час., годах.

Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10^-8 до 10^-16 см (например, нанометр, одна миллиардная части метра, т. е. 10⁻⁹м), а время жизни – от бесконечности до 10^-24 сек.

Мегамир – мир огромных космических масштабов до 10²⁸ см; и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет.

Микро-, макро- и мегамиры взаимосвязаны.

Современное естествознание выделяет три основных вида материальных состояний: вещество,физическое поле ифизический вакуум, или так называемое темное вещество. Вещество – это химический уровень материи, обладающий массой покоя. К вещественным объектам относятся атомы, молекулы и многочисленные образованные из них материальные объекты (даже живые организмы строятся на основе химического носителя). Физическое поле соответствует различным заряженным частицам: электромагнитное, гравитационное, волновое. Поскольку нельзя с достаточной точностью измерить одновременно и координаты частицы, и ее заряд, мы привыкли говорить о микрочастицах: «не имеет массы покоя». Однако энергия поля – это не «чистая» энергия, без носителя. Масса не может превратиться в энергию! Это две разные характеристики материальных объектов, сохраняемые при всех их взаимных превращениях. Трудности связаны с познанием (фиксированием) этих характеристик человеком его далеко не совершенными приборами, чей размер не соответствует размерам микромира. При этом мы знаем, что физическое поле обладает энергией, импульсом, дискретностью и др.) Физический вакуум – низшее по уровню организации энергетическое состояние квантового поля. Этот термин введен в квантовой теории для объяснения некоторых микропроцессов взаимного превращения частиц друг в друга. Среднее число положительно и отрицательно заряженных частиц – квантов поля – в вакууме равно нулю, но только среднее число! Реально до 95% массы вселенной сосредоточено в виде этого недавно открытого «темного вещества». Оно прежде было не выявлено именно потому, что по мере уменьшения размеров частиц, составляющих бесчисленное множество галактик, их вес (масса) резко, по экспоненте возрастает. Еще одна характеристика этого таинственного пока для обыденного сознания феномена: время существования частиц безгранично мал о.

Итак, в вакууме могут рождаться «виртуальные» частицы, то есть частицы, существующие короткое время, а также пары: частица-античастица. Сегодня науке известно более 300 элементарных частиц, их открытия продолжаются. У большинства из них есть античастицы, отличающиеся противоположными знаками электрического заряда и магнитного момента (электрон-позитрон, протон-антипротон, нейтрон-антинейтрон и т.д.). Все другие свойства античастиц аналогичны свойствам обычных частиц. Из них могут образовываться устойчивые атомные ядра, атомы, молекулы и антивещество.

Элементарными называются частицы, у которых сегодня не обнаружена внутренняя структура, и их размеры недоступны измерению (элементарное расстояние, доступное современным средствам измерения – 10^-18 см).

Основными характеристиками элементарных частиц являются следующие: масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа. Поясним эти физические понятия.

· МАССА[2] ПОКОЯ: в теории относительности масса объекта, находящегося в состоянии покоя. Считается, что масса ФОТОНА равна нулю, однако скорость фотона равна скорости света во всех случаях, и его невозможно привести в состояние покоя

Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Частицы, имеющие массу покоя делятся на лептоны (легкие частицы); существует три поколения лептонов:

· первое поколение: электрон, электронное нейтрино

· второе поколение: мюон, мюонное нейтрино

· третье поколение: тау-лептон, тау-нейтрино

мезоны (средние частицы с массой от 1 до 1000 масс электрона; назовем некоторые из них: пион, каон, эта, ро, фи)

барионы (тяжелые частицы, чья масса превышает 1000 масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы. Единственным стабильным барионом является протон; все остальные барионы нестабильны и путём последовательных распадов превращаются в протон и лёгкие частицы. Нейтрон в свободном состоянии — нестабильная частица, однако, в связанном состоянии внутри атомных ядер он стабилен.).

Электрический заряд («элементарный» заряд)

Все элементарные частицы обладают электрическим зарядом. Электрические заряды делятся на положительные и отрицательные. Положительным зарядом обладают стабильные элементарные частицы – протоны и позитроны, а также ионы атомов металлов и т.д. Стабильными носителями отрицательного заряда являются электрон и антипротон.

Существуют электрически незаряженные частицы, то есть нейтральные: нейтрон, нейтрино. В электрических взаимодействиях эти частицы не участвуют, так как их электрический заряд равен нулю. Бывают частицы без электрического заряда, но электрический заряд не существует без частицы.

Кварки – частицы с дробным электрическим зарядом.

По времени жизни

Частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел.

Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10^-10 –10^-24 секунд, после чего распадаются.

Спин – собственный момент импульса движения микрочастицы, ее внутренняя степень свободы, который не связан с перемещением частицы как целого. При введении понятия «Спин.» предполагалось, что электрон можно рассматривать как «вращающийся волчок», а его Спин. — как характеристику такого вращения, — отсюда и название. В ядерной физике вводится также изоспин, а в физике элементарных частиц появляется цвет, очарование, прелесть (или красота) и истинность.

Квантовые числа – это числа, определяющие дискретные значения параметров состояния элементарных частиц. Ква́нтовое число́ вквантовой механике— численное значение какой-либо квантованной переменной микроскопического объекта (элементарной частицы, ядра, атома и т.д.), характеризующее состояние частицы. Задание квантовых чисел полностью характеризует состояние частицы.

Все элементарные частицы по характеру взаимодействия делятся на две группы:

· Фермионы (кварки, лептоны).

· Бозоны (кванты полей – фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитино и гравитоны).

Фермионы составляют вещество, а бозоны переносят взаимодействие (поле).