Глава 8. Структурные уровни организации материи. Физика микромира

Структурность и системность материи

 

Важнейшими атрибутами материи являются структурность и системность. Они выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется.

Системность материи

 

Представления о материи в современной науке строятся на системном подходе, о котором уже говорилось выше. В рамках системного подхода любой объект материального мира рассматривается как система – внутреннее (или внешнее) упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к другим объектам или внешним условиям. Весь мир, таким образом, предстает как иерархически организованная совокупность систем, где любой объект одновременно является самостоятельной сложной системой и элементом другой, более сложной системы. В этом и заключается системность материи.

Совокупность связей между элементами системы образует структуру системы. Поскольку любая система обязательно состоит из элементов, которые связаны друг с другом разнообразными связями, можно сделать вывод, что бесструктурных объектов не существует.

Существует два основных типа связи между элементами систем – горизонтальные и вертикальные связи. Горизонтальные связи – это связи координации между элементами и системами одного уровня. Они носят коррелирующий характер. Вертикальные связи – это связи субординации, иерархии, показывающие взаимоотношения между уровнями организации системы.

Структурность материи

 

Системность материи неразрывно связана со структурностью, под которой понимают связи между огромным множеством систем окружающего нас мира, находящихся в отношении иерархической соподчиненности, а также упорядоченность строения каждой системы.

Поэтому неверно под структурой материи понимать только ее строение в микромире, существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т.д. Если рассматривать материю в целом, то понятие структуры материи будет охватывать все многообразие целостных систем, находящихся в конечной области материального мира, которая простирается от 10^-15 см до 10²⁸ см (около 20 млрд световых лет), а во времени – до 2 • 10¹⁰ лет. При этом на каждом структурном уровне материи существуют особые (эмерджентные) свойства, отсутствующие на других уровнях.

В естественных науках выделяются два класса материальных систем: в живой и неживой природе. Кроме них выделяются социальные системы. Аналогично можно представить и структуру нашего мира.

В неживой природе структурными уровнями организации материи являются:

– вакуум (поля с минимальной энергией);

– поля и элементарные частицы;

– атомы;

– молекулы;

– макроскопические тела;

– планеты и планетные системы;

– звезды и звездные системы;

– галактики;

– Метагалактика;

– Вселенная.

В живой природе выделяют два важнейших структурных уровня – биологический и социальный.

Биологический уровень организации материи включает:

– доклеточный уровень (белки и нуклеиновые кислоты);

– клетку как «кирпичик» живого и одноклеточные организмы;

– многоклеточный организм, его органы и ткани;

– популяцию (совокупность особей одного вида, занимающих определенную территорию, свободно скрещивающихся между собой и частично или полностью изолированных от других групп особей своего вида);

– биоценоз (совокупность популяций, при которых продукты жизнедеятельности одних являются условиями существования других организмов, населяющих участок суши или воды);

– биосферу – живое вещество планеты (совокупность всех живых организмов, включая человека).

На определенном этапе развития жизни на планете возник разум, благодаря которому появился новый структурный уровень – социальный. На этом уровне выделяются: индивид, семья, коллектив, социальная группа, класс и нация, государство, цивилизация, человечество в целом.

Поскольку в природе все взаимосвязано, в ней существуют такие системы, элементами которых являются как живая, так и неживая природа. Это:

– биогеоценоз (сложная природная система, объединяющая на основе обмена веществ и энергии совокупность живых организмов с неживыми компонентами – условиями обитания);

– биосфера (область распространения жизни на Земле, представляющая собой совокупность живого вещества планеты и преобразованной им окружающей среды).

Микро-, макро- и мегамир

 

Осознавая структурность и системность материи в качестве важнейших ее атрибутов, человек, изучая окружающий мир с точки зрения своих человеческих потребностей, соизмеряет все эти многочисленные системы в первую очередь с собой. Исходя из этого в естествознании выделяют три основных уровня строения материи:

– микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10~8 до 10~16 см, а время жизни – от бесконечности до 10~24 секунды;

– макромир – мир макрообъектов, соизмеримых с человеком и его опытом. Пространственные величины макрообъектов выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время – в секундах, минутах, часах и годах;

– мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет.

Дольше всего и подробнее всего наука изучала макромир. Результатом явилась классическая наука Нового времени. И хотя ученые этого и более ранних периодов развития науки говорили о мельчайших частицах материи, являющихся ее конечным пределом делимости, и находили их сначала в атомах, а на излете этого этапа – в полях, в действительности это были не более чем умозрительные конструкции. Реально же наука занималась изучением объектов и процессов, которые человек вполне мог наблюдать невооруженным глазом. Именно так появились на свет механика, классическая термодинамика, оптика, электродинамика.

Изучение микромира началось с конца XIX века. Толчком послужило открытие Дж. Томсоном в 1897 г. первой элементарной частицы – электрона, а также выдвижение М. Планком в 1900 г. идеи кванта как мельчайшей неделимой порции энергии, в которой только и может происходить излучение и его поглощение. Ошеломлявшие ученых свойства элементарных частиц вскоре удалось объяснить в рамках первых квантовых теорий,– квантовой механики и квантовой электродинамики. Тем не менее в этой области еще существует великое множество загадочных и пока необъясненных фактов. Их изучение было задачей современной науки и, очевидно, останется целью постнеклассической науки.

Несколько иначе обстоит дело с исследованием мегамира, начавшимся с появлением астрономии – одной из первых естественных наук. Но большую часть своей истории астрономия не выходила за рамки описательной науки. Лишь изредка в ней появлялись очень робкие теоретические предположения о строении звезд и планет, их появлении и развитии. Концепции и теории в космологии и космогонии, носящие достаточно обоснованный характер, стали появляться только к началу XX века. При этом многие из них оказались связанными с исследованиями в области микромира. Таким образом подтверждалась диалектика природы, воплощенная в идее всеобщей связи всех структурных уровней организации материи.