Материя и движение. Современные взгляды на природу вещества и поля.

Предметом физики является изучение простейших и в то же время наиболее общих форм материи - механической, молекулярно-тепловой, электромагнитной, атомной и внутриядерной. При этом под материей понимается объективная реальность, существующая независимо от человеческого сознания и отображаемая им.

По определению В.И. Ленина: «Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них».

Вся история физики и других естественных наук доказывает материальность мира, объективность и познаваемость законов его развития.

«От живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике - таков диалектический путь познания истины, познания объективной реальности, то есть материи». (В.И.Ленин.)

Рубеж 19-20 века известен в развитии познания материи как «кризис в естествознании». До этого времени атом считался последней неделимой субстанцией - «кирпичиком», из которого составляются все материальные объекты. Открытие в 1895-1896 годах радиоактивного, рентгеновского излучения, катодных лучей дали возможность утверждать, что атом это сложная структура, состоящая из еще более мелких частиц. Идеалисты всех мастей сразу же начали кричать о том, что раз исчез последний «кирпичик» мироздания - атом, то исчезла материя.

Отпор этим мировозрениям был дан В.И.Лениным в книге «Материализм и эмпириокритицизм». Он говорил: «Сущность вещей» или «субстанция» то же относительны, они выражают только углубление познания объектов, и если вчера это углубление не шло дальше атома, сегодня дальше электрона и эфира, то диалектический материализм настаивает на временном, относительном характере всех вех познания природы прогресирующей наукой человечества. Электрон также неисчерпаем, как и атом...»

Научные открытия 20 века подтвердили и подтверждают гениальные выводы В.И.Ленина. Современные взгляды на строение и свойства материи сводятся к следующим положениям.

Материя, материальные объекты существуют в двух формах - вещество и поле.

Понятие вещества связано с наличием (существованием) определенных частиц: молекул, атомов; долгоживущих элементарных частиц); быстроживущих элементарных частиц(около 200). Долгоживущих элементарных частиц в настоящее время насчитывается 35. Они подразделяются на 4 большие группы: фотоны, лептоны, мезоны и барионы. Лептоны: электронное нейтрино (n_е ,~n_е), ню-мезон (n_м , ~n_м), мю-мезон (m^-, m⁺), электрон и позитрон (е⁺, е^—). Мезоны: пи-мезон (p⁰, ~p⁰, p⁺,p^-), ка-мезон (К⁰,~ К⁰ К⁺, К^-), ноль-мезон (h⁰, ~h⁰). Барионы: протон (р, ~р), нейтрон (n,~n), лямбда-гиперон (l⁰, ~l⁰), сигма-гиперон (S⁺,~S⁺, S^-,~S^-), кси-гиперон (X⁰,~X⁰,X^-), омега-минус (W^-,~W^-).

В последнюю четверть века широкое распространение получила кварковая теория строения вещества. Сущность ее состоит в том, что всякая элементарная частица, имеющая определенные свойства (заряд, массу, спин) может быть представлена в виде 2-х, 3-х, 4-х и т.д. «еще более элементарных частиц» - получивших название кварки.

Например, существует 3-х кварковая модель элементарных частиц. Кварки принято в теоретической физике обозначать буквами r, h, l, которые обладают определенными свойствами. Барионный заряд всех кварков равен 1/3, странность r и h="0", l="-1". Электрический заряд r=+2/3, а h и l="-1/3"

Странность - это особое квантовое число, которое характеризует сильные и электромагнитные взаимодействия при рождении пары странных частиц.

Оно может быть равно+1,-1,+2,-2, 0

Барионный заряд - это особое квантовое число, присущее только барионам.

Оно может принимать значения:+1 для бариона, -1 для антибариона, для p- и k-мезонов оно отсутствует (равно 0).

Из этих 3-х кварков можно составить 10 комбинаций:

rrr - rrh - rhh -hhh

rrl - rhl - hhl

rll - hll

lll

Первые 9 комбинаций представляли 9 известных элементарных частиц класса L,S,X, комбинация lll была неизвестна - это новая частица - она была открыта позже и получила название омега минус частица (W^-).

Все эти положения о кварках теоретического плана, обнаружить реально отдельно существующие кварки пока не удается.

Совокупность этих образований и составляет вещество в различных его проявлениях. Веществу присущи различные свойства (цвет, запах, вес и т.д.),которые могут определенным образом воздействовать на чувствительные рецепторы организма человека и распознаваться по этим свойствам.

Поле - это особый вид материи, посредством которого осуществляется связь и взаимодействие между вещественными образованиями.

Поля бывают: электрическое, магнитное, электромагнитное, гравитационное, ядерное. В последнее время появилось название биополе, однако сущность и свойства биополя еще не раскрыты, хотя нельзя отрицать его существование. Обнаружить поля нашими органами чувств непосредственно невозможно. Основным неотъемлемым свойством материи является движение. Различные формы существования и движения материи взаимозависимы и взаимосвязаны. Проследим эту связь на примере развития взглядов на природу света.

Оптика или учение о свете зародилось еще в глубокой древности и первоначально возникло как попытка ответить на вопрос, почему человек видит. В качестве основного свойства света в древней Греции было отмечено его прямолинейное распространение.

Теоретическое обоснование природы света возникло еще в конце 17 века. Одна из теорий получила название корпускулярной, другая волновой. Творцом и защитником корпускулярной теории был Исаак Ньютон,он считал свет потоком частиц - корпускул. Главным аргументом в пользу корпускулярной теории он приводил прямолинейность распространения света. Сущность корпускул он не раскрыл. Этой теорией он объяснил законы преломления и отражения света.

Однако эта теория не могла объяснить явления интерференции, дифракции и поляризации света. Голландский ученый Христиан Гюйгенс представлял свет в виде волнового процеса, распространяющегося в упругой вещественной среде. Этой теории придерживались такие известные ученые того времени, как Юнг, Френель, Ломоносов.

В 1865 году английский физик Максвелл предложил электромагнитную теорию света, согласно которой свет - это распространяющееся в пространстве электромагнитное поле.

Некоторые явления,такие как, тепловое излучение и фотоэффект не могли быть объяснены ни с точки зрения классических представлений Ньютона и Гюйгенса, ни с точки зрения электромагнитной теории Максвелла.

В 1900 году Макс Планк создал квантовую теорию, по которой световой поток обладает прерывистой структурой, излучается в виде квантов, фотонов с энергией Е=hn=hс/l, h=6.625´10^-34 Дж с.

Кванты движутся прямолинейно со скоростью света, поглощается свет только квантами. Закон Планка при всей его неожиданности для физики того времени был открыт в итоге развития электромагнитной теории света, термодинамики, статистической физики. Новая физика(квантовая) рождалась на фундаменте классической физики, однако классическая физика оказалась непригодной в мире атомов. Квантовая теория была подтверждена в 1905 году А.Энштейном, объяснившим фотоэффект. По Энштейну - свет излучается и поглощается в виде отдельных порций энергии - квантов электромагнитного излучения. hn=А_вых+(mu²)/2 - уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Таким образом, опыт подтверждает правильность квантовой теории света, в то же время остается справедливой и электромагнитная теория света. Свет одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных фотонов. Если «перемещаться» по шкале электромагнитных волн от длинных волн к более коротким, то волновые свойства электромагнитного излучения постепенно уступают место все более отчетливо проявляющимся квантовым свойствам. Фотон, как всякая материальная частица обладает энергией, массой, количеством движения p=m_фc, энергией E_ф=m_фc² и скоростью; однако его нельзя рассматривать вне связи с электромагнитной волной. Е_ф=hс/l_ф.

Эта взаимосвязь привела французского физика Луи де Бройля в 1924 году к заключению, что всякая движущаяся частица обладает волновыми свойствами, связана с какой-то волной. Длину волны движущейся частицы можно определить из соотношения для фотона: m_фc²=(hc)/l_ф;

l_ф=h/(m_фc²)

Для движущейся частицы l_ч=h/(m_чu_ч), если скорость частицы мала, то волновые свойства проявляются очень слабо. Однако, если разогнать частицу до скоростей, близких к скорости света, то частица приобретает свойства волны. Одним из примеров волновых свойств частицы является использование волновых свойств движущихся электронов в электронном микроскопе.

Теория Луи де Бройля легла в основу квантовой механики, объясняющей поведение элементарных частиц атома.

С точки зрения науки, пытающейся ограничиться механическими представлениями, такая двойственность непонятна. Для многих физиков эта двойственность послужила поводом для отхода от материалистического воззрения к попыткам противопоставить свет и материю, отказаться от принципа причинности и т.д.Отказ от механических представлений классической физики ни в коем случае ни есть отказ от материалистического мировоззрения. Об этом писал В.И.Ленин в «Материализме и эмпириокритицизме».

Синтез волновых и корпускулярных свойств может быть дан лишь на основе диалектического материализма, утверждающего, что в каждом явлении природы проявляются противоположности и что вместе с тем существует их диалектическое единство. Примером такого единства и борьбы противоположностей может служить взаимодействие двух элементарных частиц: электрона и позитрона, в результате которого возникает новый вид материи: два кванта электромагнитного поля. e^-+e⁺®2hn. Это явление называется аннигиляцией.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕРОЯТНОСТНЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ

Исследование явлений и объектов, основанных на построении и изучении их моделей, называется МОДЕЛИРОВАНИЕМ.

Модели изучаемых процессов и явлений можно подразделить на вещественные или геометрические, энергетические или физико-химические, биологические и информационные.

Под вещественными моделями можно понимать классы моделей, которые воспроизводят структуру рассматриваемого объекта и взаимоотношение его частей. Наиболее простым видом такой модели можно считать действующие копии некоторых механизмов (корабля, самолета и т.д.). Действующую копию биосистем создать практически невозможно, а многочисленные роботы и куклы способны повторять лишь форму прототипа и примитивные функции.

Для моделирования функциональных взаимоотношений в изучаемых системах используются энергетические модели. Эти модели, хотя и состоят из вещественных элементов, но не требуют того, чтобы элементы были полностью подобны элементам прототипа, так как их целью является моделирование функций прототипа. Они являются более абстрактными. Энергетические или физико-химические модели получили широкое распространение в медицине. Это аппараты искусственного дыхания (АИД), искусственного кровообращения (АИК), искусственная почка и другие технические устройства временно или постоянно заменяющие органы и системы живого организма (кардиостимулятор).

Следующий тип моделей - информационные. Совокупность биологических дисциплин до недавнего времени для описания результатов исследований и описания работы изучаемых биосистем, использовали преимущественно словесные модели. Но на языке словесных моделей трудно достичь четкости в изложении закономерностей работы биосистемы, трудно выразить количественные соотношения между параметрами изучаемой биосистемы.

К информационным моделям относятся и математические модели. Они обладают высокой степенью абстрактности, оперируют символами, легко обозначающими параметры систем любой природы, в том числе и биологической, допускают количественную интерпретацию. Именно математические модели позволили в биологии и медицине перейти к сжатому изложению гипотез и закономерностей, к широкому внедрению вычислительной техники. Разработка математических моделей биосистем идет совместно с построением физических моделей. Сейчас наметился следующий путь: изучение биосистемы - построение математической модели - разработка физической модели.

В медицине, кроме того, широко используются биологические (предметные) модели. Для изучения протекания патологических процессов и методов лечения человека различными новыми препаратами, применяют предварительное изучение на предметной модели - животном. При этом животное подбирают так, чтобы уровень организации изучаемой системы был близок к уровню организации таковой системы у человека, включая нервные, гуморальные факторы регуляции, возможные влияния окружающей среды и т.д. Понятно, что предметные модели являются и моделями, совмещающими в себе все три составляющие материального объекта: вещество, энергию и организацию.

Моделирование состоит из следующих стадий:

1. Формирование цели моделирования.

2. Создание гипотезы для качественного описания системы, выбор типа модели и математических методов ее описания.

3. Создание модели.

4. Сравнение модели с исследуемой системой с целью их идентификации.