Структурные уровни организации материи и их взаимодействие. Контрольная работа: Структурные уровни организации материи: макромир, микромир, мегамир Формы структурные уровни организации материи

Материя. структура и системная организация материи. Системная организация как атрибут материи. Структура материи. Структурные уровни организации материи. структурные уровни различных сфер.

Материя

Клеточный - самостоятельно существующие одноклеточные организмы;

Многоклеточный - органы и ткани, функциональные системы (нервная, кровеносная), организмы: растения и животные;

Организм в целом;

Популяции (биотоп) - сообщества особей одного вида, которые связаны общим генофондом (могут скрещиваться и воспроизводить себе подобных): стая волков в лесу, стая рыб в озере, муравейник, кустарник;

- биоценоз - совокупность популяций организмов, при которых продукты жизнедеятельности одних становятся условиями жизни и существования других организмов, населяющих участок суши или воды. Например, лес: популяции живущих в нем растений, а также животных, грибов, лишайников и микроорганизмов взаимодействуют между собой, образуя целостную систему;

- биосфера - глобальная система жизни, та часть географической среды (нижняя часть атмосферы, верхняя часть литосферы и гидросферы), которая является средой обитания живых организмов, обеспечивая необходимые для их выживания условия (температуру, почву и т.п.), образованная в результате взаимодействия биоценозов.

Общая основа жизни на биологическом уровне - органический метаболизм (обмен веществом, энергией, информацией с окружающей средой), которая проявляется на любом из выделенных подуровней:

На уровне организмов обмен веществ означает ассимиляцию и диссимиляцию при посредстве внутриклеточных превращений;

На уровне биоценоза он состоит из цепи превращений вещества, первоначально ассимилированного организмами-производителями при посредстве организмов-потребителей и организмов-разрушителей, относящихся к разным видам;

На уровне биосферы происходит глобальный круговорот вещества и энергии при непосредственном участии факторов космического масштаба.

В рамках биосферы начинает развиваться особый тип материальной системы, который образован благодаря способности особых популяций живых существ к труду - человеческое общество. Социальная действительность включает в себя подуровни: индивид, семья, группа, коллектив, социальная группа, классы, нации, государство, системы государств, общество в целом. Общество существует лишь благодаря деятельности людей.

Структурный уровень социальной действительности находится между собой в неоднозначно-линейных связях между собой (например, уровень нации и уровень государства). Переплетение разных уровней структуры общества не означает отсутствия упорядоченности и структурированности общества. В обществе можно выделить фундаментальные структуры - главные сферы общественной жизни: материально-производственная, социальная, политическая, духовная и т.д., имеющие свои законы и структуры. Все они в определенном смысле субординированы, структурированы и обусловливают генетическое единство развития общества в целом.

Таким образом, любая из областей объективной действительности образуется из ряда специфических структурных уровней, которые находятся в строгой упорядоченности в составе той или иной области действительности. Переход от одной области к другой связан с усложнением и увеличением множества образованных факторов, обеспечивающих целостность систем, т.е. эволюция материальных систем происходит в направлении от простого к сложному, от низшего в высшему.

Внутри каждого из структурных уровней существуют отношения субординации (молекулярный уровень включает атомарный, а не наоборот). Всякая высшая форма возникает на основе низшей, включает ее в себя в снятом виде. Это означает, по существу, что специфика высших форм может быть познана только на основе анализа структур низших форм. И наоборот, сущность формы высшего порядка может быть познана только на основе содержания высшей по отношению к ней формы материи.

Закономерности новых уровней не сводимы к закономерностям уровней, на базе которых они возникли, и являются ведущими для данного уровня организации материи. Кроме того, неправомерен перенос свойств высших уровней материи на низшие. Каждый уровень материи обладает своей качественной спецификой. В высшем уровне материи низшие его формы представлены не в «чистом», а в синтезированном («снятом») виде. Например, нельзя перенести законы животного мира на общество, даже если на первый взгляд кажется, что в нем господствует «закон джунглей». Хотя жестокость человека может быть несравненно больше жестокости хищников, тем не менее хищникам незнакомы такие человеческие чувства, как любовь, сострадание.

С другой стороны, безосновательны попытки отыскания на низших уровнях элементов высших уровней. Например, мыслящий булыжник. Это - гипербола. Но были попытки ученых-биологов, в которых они пытались создать обезьянам «человеческие» условия, рассчитывая через сто-двести лет обнаружить в их потомстве антропоида (первобытного человека).

Структурные уровни материи взаимодействуют между собой как часть и целое. Взаимодействие части и целого состоит в том, что одно предполагает другое, они едины и друг без друга существовать не могут. Не бывает целого без части и нет частей вне целого. Часть приобретает свой смысл только благодаря целому, так же как и целое есть взаимодействие частей.

Во взаимодействии части и целого определяющая роль принадлежит целому. Однако это не означает, что части лишены своей специфики. Определяющая роль целого предполагает не пассивную, а активную роль частей, направленную на обеспечение нормальной жизни универсума как целого. Подчиняясь в общем системе целого, части сохраняют свою относительную самостоятельность и автономность. С одной стороны, они выступают как компоненты целого, а с другой - они сами являются своеобразными целостными структурами, системами. Например, факторами, обеспечивающими целостность систем в неживой природе, являются ядерные, электромагнитные и другие силы, в обществе - производственные отношения, политические, национальные и т.д.

Структурная организация, т.е. системность, является способом существования материи.

Литература

1. Ахиезер А.И., Рекало М.П. Современная физическая картина мира. М., 1980.

2. Вайнберг С. Открытие субатомных частиц. М., 1986.

3. Вайнберг С. Первые три минуты. М.,1981.

4. Ровинский Р.Е. Развивающаяся Вселенная. М., 1995.

5. Шкловский И.С. Звезды, их рождение и смерть. М.,1975.

6. Философские проблемы естествознания. М., 1985.

Объективно ли такое явление, как эволюция? Можем ли мы поставить эксперимент, подтверждающий или опровергающий выводы теории эволюции? Можем ли мы познать сущность материи? Данная статья посвящена вопросам субъективизма в теории эволюции и креационизма.

Термин «эволюция» происходит от латинского evolution, что в переводе означает развертывание. Понятие эволюции используется в узком и широком смыслах. В узком смысле под эволюцией понимают медленное, постепенное изменение, приводящее к определенным количественным изменениям, после чего в результате качественного скачка – революции – происходит переход на новый качественный уровень. В широком смысле эволюция обозначает развитие, включающее в себя, в том числе и революционные преобразования.

Развитие характеризует качественные изменения объектов, появление новых форм бытия, существование различных систем, сопряженное с преобразованием их внутренних и внешних связей. Развитие позволяет описывать изменчивость Вселенной, возникновение природных форм, биологических видов и индивидов, преобразование общественных систем, обновление сил и способностей человеческой личности акцентирует внимание на качественных изменениях объектов и систем, сохраняющих их основные формы и функции.

Если прогрессивный характер развития живой Природы и общества не вызывает сомнений, то относительно развития физической материи высказывается множество различных мнений, вплоть до отрицания развития физической материи вообще. Установления же определенного характера биологической и социальной форм материи недостаточно для понимания развития материи, необходим более общий подход, охватывающий предысторию живой Природы и общества. Поэтому чрезвычайно важно для выработки определенного понимания развития установить, что такое развитие неживой Природы и, прежде всего, физической формы материи.

Природе приходится вольно или невольно приписать «ум» и «гениальность"» разумные творческие силы, превосходящие творческие силы человека, ибо признаки живых организмов таковы, что не могли быть достигнуты случайными слепыми мутациями и естественным отбором. Это наводит на мысль, что либо в самой Природе, либо за ее пределами есть некое Разумное Творческое Начало, управляющее предполагаемой эволюцией, если таковая вообще была.

Также живой Природе приходится приписать парадоксальную неравномерность и резкие скачки в развитии, что весьма плохо согласуется с концепцией постепенной эволюции и восхождения от менее совершенных форм к более совершенным. Впрочем, это еще не ставит под сомнение саму эволюцию.

Постепенный переход в увеличении приспособленности живых организмов и их морфофизиологической сложности представляется практически невозможным, особенно путем случайных слепых мутаций и естественного отбора, долженствовавшего уничтожить все предполагаемые переходные формы. Так что, если эволюция и была, то лишь неожиданными резкими «квантовыми» скачками, не допускающими постепенности, когда у родителей-предков сразу рождались потомки другого вида, рода и даже класса, причем в количестве, достаточном для воспроизведения. Это делает эволюцию вообще маловероятной.

Таким образом, имеются естественнонаучные основания, как минимум, усомниться в правильности современной теории эволюции. Эволюционное объяснение многих феноменов живой Природы практически невероятно, что свидетельствует против концепции естественного возникновения и эволюционного развития жизни. Остается только два варианта: жизнь в таком виде существовала всегда (мнение Вернадского), либо жизнь появилась неестественным, сверхъестественным образом – теория креационизма. Современные научные данные пока что свидетельствуют против концепции вечного существования жизни, ибо по современным данным: Вселенная не вечна, Солнечная система и планета Земля не вечны и, следовательно, биологическая жизнь не вечна. Остается креационизм, креационная наука. Креационная наука, исповедующая аксиому, что жизнь появилась внезапно, сверхъестественным образом и во всей полноте родов, которую мы ныне наблюдаем (более того, многие роды живого уже утрачены), хорошо подходит для объяснения многих феноменов Природы. Оснований достаточно, чтобы предположить воздействие на материю Разумного Творческого Начала. Однако это не значит, что существует полное превосходство креационизма над теорией эволюции.

Структурные уровни организации материи

Сначала вспомним, как в естествознании описывается материя.

В самом общем виде материя представляет собой бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств, связей, отношений и форм движения. При этом она включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все то, что не дано нам в ощущениях. Весь окружающий нас мир – это движущаяся материя в ее бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми свойствами, связями и отношениями. В этом мире все объекты обладают внутренней упорядоченностью и системной организацией. Упорядоченность проявляется в закономерном движении и взаимодействии всех элементов материи, благодаря чему они объединяются в системы. Весь мир, таким образом, предстает как иерархически организованная совокупность систем, где любой объект одновременно является самостоятельной системой и элементом другой, более сложной системы.

Согласно современной естественнонаучной картине мира все природные объекты также представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. Исходя из системного подхода к природе вся материя делится на два больших класса материальных систем – неживую и живую природу. В системе неживой природы структурными элементами являются: элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы, галактики, метагалактики и Вселенная в целом. Соответственно в живой природе основными элементами выступают белки и нуклеиновые кислоты, клетка, одноклеточные и многоклеточные организмы, органы и ткани, популяции, биоценозы, живое вещество планеты.

В то же время как неживая, так и живая материя включают в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Структура – это совокупность связей между элементами системы. Поэтому любая система состоит не только из подсистем и элементов, но и из разнообразных связей между ними. Внутри этих уровней главными являются горизонтальные (координационные) связи, а между уровнями – вертикальные (субординационные). Совокупность горизонтальных и вертикальных связей позволяет создать иерархическую структуру Вселенной, в которой основным квалификационным признаком является размер объекта и его масса, а также их соотношение с человеком. На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.

Микромир – область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется в диапазоне от 10^-8 до 10^-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10^-24 с. Сюда относятся поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Макромир – мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабам с человеком и его физическими параметрами. На этом уровне пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах, метрах и километрах, а время – в секундах, минутах, часах, днях и годах. В практической действительности макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности, т.е. макротелами.

Мегамир – сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет. К этому уровню материи относятся наиболее крупные материальные объекты: звезды, галактики и их скопления.

На каждом из этих уровней действуют свои специфические закономерности, несводимые друг к другу. Хотя все эти три сферы мира теснейшим образом связаны между собой.

Структура мегамира. Основными структурными элементами мегамира являются планеты и планетные системы; звезды и звездные системы, образующие галактики; системы галактик, образующие метагалактики.

Планеты – несамосветящиеся небесные тела, по форме близкие к шару, вращающиеся вокруг звезд и отражающие их свет. В силу близости к Земле наиболее изученными являются планеты Солнечной системы, двигающиеся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. К этой группе планет относится и наша Земля, расположенная от Солнца на расстоянии 150 млн. км.

Звезды – светящиеся (газовые) космические объекты, образующиеся из газово-пылевой среды (преимущественно водорода и гелия) в результате гравитационной конденсации. Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния и тем самым изолированы друг от друга. Это означает, что звезды практически не сталкиваются друг с другом, хотя движение каждой из них определяется силой тяготения, создаваемой всеми звездами Галактики. Число звезд в Галактике – порядка триллиона. Самые многочисленные из них – карлики, массы которых примерно в 10 раз меньше массы Солнца. В зависимости от массы звезды в процессе эволюции становятся либо белыми карликами, либо нейтронными звездами, либо черными дырами.

Белый карлик – это электронная постзвезда, образующаяся в том случае, когда звезда на последнем этапе своей эволюции имеет массу, меньшую 1,2 солнечной массы. Диаметр белого карлика равен диаметру нашей Земли, температура достигает около миллиарда градусов, а плотность – 10 т/см3, т.е. в сотни раз больше земной плотности.

Нейтронные звезды возникают на заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс. Высокие температура и давление в них создают условия для образования большого количества нейтронов. В этом случае происходит очень быстрое сжатие звезды, в ходе которого в наружных ее слоях начинается бурное протекание ядерных реакций. При этом выделяется так много энергии, что происходит взрыв с разбросом наружного слоя звезды. Внутренние же ее области стремительно сжимаются. Оставшийся объект и получил название нейтронной звезды, поскольку он состоит из протонов и нейтронов. Нейтронные звезды также называют пульсарами.

Черные дыры – это звезды, находящиеся на заключительном этапе своего развития, масса которых превышает 2 солнечные массы, и имеющие диаметр от 10 до 20 км. Теоретические расчеты показали, что они обладают гигантской массой (10^15 г) и аномально сильным гравитационным полем. Свое название они получили потому, что не обладают свечением, а за счет своего гравитационного поля захватывают из пространства все космические тела и излучение, которые не могут выйти из них обратно, они как бы проваливаются в них (затягиваются, как в дыру). Из-за сильной гравитации никакое захваченное материальное тело не может выйти за пределы гравитационного радиуса объекта, и поэтому они кажутся наблюдателю «черными».

Звездные системы (звездные скопления) – группы звезд, связанные между собой силами тяготения, имеющие совместное происхождение, сходный химический состав и включающие в себя до сотен тысяч отдельных звезд. Существуют рассеянные звездные системы, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие системы не имеют правильной формы. В настоящее время известно более тысячи звездных систем. Кроме того, к звездным системам относятся шаровые звездные скопления, насчитывающие в своем составе сотни тысяч звезд. Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет. В настоящее время ученым известно около 150 шаровых скоплений.

Галактики – совокупности звездных скоплений. Понятие «галактика» в современной интерпретации означает огромные звездные системы. Этот термин (от греч. «молоко, молочный») был введен в обиход для обозначения нашей звездной системы, представляющей собой тянущуюся через все небо светлую полосу с молочным оттенком и поэтому названную Млечным Путем.

Условно по внешнему виду галактики можно разделить на три вида. К первому (около 80%) относятся спиральные галактики. У этого вида отчетливо наблюдаются ядро и спиральные «рукава». Второй вид (около 17%) включает эллиптические галактики, т.е. такие, которые имеют форму эллипса. К третьему виду (примерно 3%) относятся галактики неправильной формы, которые не имеют отчетливо выраженного ядра. Кроме того, галактики различаются размерами, числом входящих в них звезд и светимостью. Все галактики находятся в состоянии движения, причем расстояние между ними постоянно увеличивается, т.е. происходит взаимное удаление (разбегание) галактик друг от друга.

Наша Солнечная система принадлежит к галактике Млечного Пути, включающей не менее 100 млрд. звезд и поэтому относящейся к разряду гигантских галактик. Она имеет сплюснутую форму, в центре которой находится ядро с отходящими от него спиральными «рукавами». Диаметр нашей Галактики составляет около 100 тыс., а толщина – 10 тыс. световых лет. Соседней с нами является галактика Туманность Андромеды.

Метагалактика – система галактик, включающая все известные космические объекты.

Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для измерения этих расстояний разработаны следующие специальные единицы:

1) световой год – расстояние, которое проходит луч света в течение одного года со скоростью 300 000 км/с, т.е. световой год составляет 10 трлн км;
2) астрономическая единица – это среднее расстояние от Земли до Солнца, 1 а.е. равна 8,3 световым минутам. Это значит, что солнечные лучи, оторвавшись от Солнца, достигают Земли через 8,3 мин;
3) парсек – единица измерения космических расстояний внутри звездных систем и между ними. 1пк – 206 265 а.е., т.е. приблизительно равен 30 трлн км, или 3,3 световым годам.

Структура макромира. Каждый структурный уровень материи в своем развитии подчиняется специфическим законам, но при этом между этими уровнями нет строгих и жестких границ, все они теснейшим образом связаны между собой. Границы микро- и макромира подвижны, не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты построены из микрообъектов. Тем не менее, выделим важнейшие объекты макромира.

Центральным понятием макромира является понятие вещества, которое в классической физике, являющейся физикой макромира, отделяют от поля. Под веществом понимают вид материи, обладающий массой покоя. Оно существует для нас в виде физических тел, которые обладают некоторыми общими параметрами – удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, тепло- и электропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий.

Структура микромира. Концепция элементарных частиц. Переход естественнонаучных знаний с атомного уровня на уровень элементарных частиц привел ученых к заключению, что понятия и принципы классической физики оказываются неприменимыми к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи (микрообъектов), таких, как электроны, протоны, нейтроны, атомы, которые образуют невидимый нами микромир. В силу особых физических показателей свойства объектов микромира совершенно не похожи на свойства объектов привычного нам макромира и далекого мегамира. Отсюда возникла необходимость отказа от привычных представлений, которые навязаны нам предметами и явлениями макромира. Поиски новых способов описания микрообъектов способствовали созданию концепции элементарных частиц.

Согласно этой концепции основными элементами структуры микромира выступают микрочастицы материи, которые не являются ни атомами, ни атомными ядрами, не содержат в себе каких-либо других элементов и обладают наиболее простыми свойствами. Такие частицы были названы элементарными, т.е. самыми простыми, не имеющими в себе никаких составных частей.

Все элементарные частицы обладают некоторыми общими свойствами. Одно из них – свойство корпускулярно-волнового дуализма, т.е. наличие у всех микрообъектов как свойств волны, так и свойств вещества.

Другим общим свойством является наличие почти у всех частиц (кроме фотона и двух мезонов) своих античастиц. Античастицы – это элементарные частицы, схожие с частицами по всем признакам, но отличающиеся противоположными знаками электрического заряда и магнитного момента. После открытия большого числа античастиц ученые заговорили о возможности существования антивещества и даже антимира. При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции – превращение частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий (вещество превращается в излучение).

Еще одним важнейшим свойством элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость. Этого свойства нет ни в макро-, ни в мегамире.

Классификация элементарных частиц. Элементарные частицы – основные «кирпичики», из которых состоит как материя, так и поле. При этом все элементарные частицы неоднородны: некоторые из них являются составными (протон, нейтрон), а другие – несоставными (электрон, нейтрино, фотон). Частицы, которые не являются составными, называют фундаментальными.

В целом элементарные частицы обладают довольно большим количеством характеристик. Некоторые из характеристик положены в основу классификации элементарных частиц.

Так, одной из важнейших характеристик частиц является их масса. Масса элементарной частицы – это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, который, в свою очередь, считается самой легкой из всех частиц, имеющих массу. В зависимости от массы покоя все частицы можно подразделить на несколько групп:

• частицы, не имеющие массы покоя. К этой группе частиц относят фотоны, движущиеся со скоростью света;
• лептоны (от «лептос» – легкий) – легкие частицы (электрон и нейтрино);
• мезоны (от «мезос» – средний, промежуточный) – средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;
• барионы (от «барос» – тяжелый) – тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы).

Второй важной характеристикой элементарных частиц является электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной единице заряда – заряду электрона (–1), который рассматривается в качестве единицы отсчета зарядов. Заряд частиц может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Как предполагают ученые, существуют также частицы с дробным электрическим зарядом – кварки, экспериментальное наблюдение которых пока невозможно.

Третьей характеристикой элементарных частиц служит тип физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы. По данному показателю все многообразие элементарных частиц можно подразделить на три группы:

1) адроны (от «андрос» – крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;
2) лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;
3) частицы – переносчики взаимодействий. Частицы – переносчики взаимодействий непосредственно обеспечивают взаимодействие. К ним относятся фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны – переносчики сильного взаимодействия, тяжелые векторные бозоны – переносчики слабого взаимодействия. Высказывается также предположение о существовании гравитонов – частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие.

Четвертой основной характеристикой элементарных частиц выступает время их жизни, которое определяет их стабильность или нестабильность. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни составляет 10^-10– 10^-24 с, т.е. несколько микросекунд. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10^-10 с. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействий, иначе их называют резонансами. Время жизни резонансов составляет от 10^-24 до 10^-26 с.

Важнейшей характеристикой частиц является спин – собственный момент количества движения (импульса) частицы. В классической механике такая величина характеризует вращение тела, например волчка. Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицы теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися крохотными шариками. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения, спин принимает только пять возможных значений. Он может равняться целому (0, 1, 2) или полуцелому (1/2, 3/2) числу. Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Частицы с полуцелым спином называются фермионами, а с целым спином – бозонами.

Фермионы – это не что иное, как частицы вещества, которые хотя и обладают волновыми свойствами, но в классическом пределе воспринимаются как истинные частицы. К ним относятся такие известные частицы, как электроны, протоны, нейтроны, спин которых равен 1/2. Известна частица, спин которой равен 3/2, – омега-гиперон. Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона: частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния, т.е. совокупность характеризующих частицу параметров, неодинаковы. Данный закон в квантовой механике называется запретом Паули. Если бы этого запрета не существовало, то еще в первые мгновения существования нашей Вселенной образовавшиеся частицы вещества слиплись и превратились в более или менее однородное «желе», не позволив образоваться современной структурной Вселенной.

Бозоны – это кванты полей, которые хотя и обладают корпускулярными свойствами, однако в классическом пределе выступают как поля. На них запрет Паули не распространяется. Примером бозонов служит фотон, спин которого равен 1, и мезон, спин которого равен 0. Возможно, существуют частицы со спином 2 – гравитоны.

Все перечисленные элементарные частицы являются переносчиками физических взаимодействий.

Теория кварков. В середине 60-х гг. XX в. число открытых адронов превысило сотню. В связи с этим возникла гипотеза, согласно которой наблюдаемые частицы не отражают предельного уровня делимости материи. На основе этой гипотезы была создана теория кварков. Ее авторами стали физики Калифорнийского университета М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг. Термин «кварк» они позаимствовали из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого снился сон, в котором летали чайки и кричали: «Три кварка для мистера Марка!». Само по себе слово «кварк» не имеет какого-либо смыслового значения и в переводе с немецкого языка оно означает «чепуха», но авторы теории понимали его как гипотетический материальный объект, существование которого еще не доказано наукой. Имея форму гипотезы, кварковая теория тем не менее позволила систематизировать известные частицы и предсказать существование новых.

Основные положения теории кварков заключаются в следующем. Аароны состоят из более мелких частиц – кварков, которые представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков – их дробный электрический заряд. Кварки могут соединяться друг с другом двумя способами – парами и тройками. Соединение трех кварков приводит к образованию барионов, кварка и антикварка – к образованию мезонов, трех антикварков – к образованию антибарионов. Большинство образующихся частиц являются барионными и мезонными резонансами. При таком соединении дробные заряды суммируются до нуля или единицы.

Кварки различаются ароматом и цветом. Аромат кварка не имеет никакого отношения к аромату, понимаемому буквально (т.е. как аромат цветов, духов и т.п.), это его особая физическая характеристика. Существует шесть видов кварков, различающихся ароматом: u (up – верхний), d (down – нижний), s (strange – странный), с (charm – очарование), b (beauty – прелесть), t (top – верхний). Их обозначают первыми буквами своих названий.

Кроме того, считается, что каждый кварк имеет один их трех возможных цветов, которые самими учеными выбраны произвольно: красный, зеленый, синий. Также понятно, что цвет кварка не имеет никакого отношения к обычному оптическому цвету в макромире. Цвет кварка, как и аромат, – условное название для определенной физической характеристики этих частиц. Цвет кварка практически означает разновидность «заряда» сильного ядерного взаимодействия. «Заряд» сильного взаимодействия в физике именуется «цветом». Каждый кварк может быть носителем одного из трех основных «зарядов», или цветов, – синего, зеленого, красного. Иначе говоря, каждый кварк может иметь «заряд» красного цвета, или «заряд» синего цвета, или «заряд» зеленого цвета. Понятие цвета было введено, чтобы не отказываться от запрета Паули, так как в барионных и антибарионных частицах кварки одного аромата часто оказывались вместе. Например, протон является комбинацией кварков uud, а нейтрон – udd.

Каждому кварку соответствует антикварк с противоположным цветом (антикрасный, антизеленый и антисиний). Таким образом, 6 кварков и 6 антикварков, т.е. 12 фундаментальных частиц, призваны объяснить почти все многообразие частиц, кроме лептонов.

При объединении кварков и антикварков должны выполняться два условия:

1) суммарный электрический заряд кварков в адроне должен быть целочисленным, скомпенсированным до нуля или единицы;
2) кварки, соединяющиеся в адрон, должны полностью компенсировать свои цветовые заряды и удовлетворять признаку бесцветности (конфайнмент). Их цвета («заряды») соединяются так же, как в оптике, где сложение красного, синего и зеленого дает белый (бесцветный) цвет. Белый цвет дает сумма красного, зеленого, синего или красного – антикрасного, синего – антисинего и т.п.

Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны, которые как бы «склеивают» кварки между собой. Предполагается, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. В электромагнитном взаимодействии кварки не меняют своего цвета и аромата. В слабых взаимодействиях кварки меняют аромат, но сохраняют цвет.

Движение и физическое взаимодействие. Связь, взаимодействие и движение представляет собой важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно ее существование. Долгое время в научной картине мира ведущая роль отводилась движению. Оно считалось важнейшей характеристикой материи. В широком смысле движение трактовалось как любое изменение, происходящее в природе. Но в физике движение понималось как механическое перемещение, изменение положения тела в пространстве с течением времени относительно выбранной точки отсчета. При этом признавалось, что в мире существуют и другие формы движения: биологическая, социальная, химическая, геологическая и др.

Несмотря на качественное разнообразие, у всех форм движения есть одна общая черта. Все они сводятся к взаимодействию тел, которое обусловливает соединение различных материальных элементов в системы, их структурные связи и контакты с другими материальными системами. Взаимодействие – универсальная форма движения и развития, оно определяет существование и структурную организацию любой материальной системы. Таким образом, получается, что все свойства тел производны от взаимодействий. Для всякого объекта существовать – значит взаимодействовать, т.е. каким-либо образом проявлять себя по отношению к другим телам, находиться с ними в объективных отношениях.

Взаимодействие представляет собой развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Взаимодействие всегда выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные виды взаимодействия. По существу, эти понятия совпадают, хотя часто употребляются в разных контекстах. Когда мы говорим о движении, то имеем в виду не столько внутренние изменения, основанные на структурных взаимодействиях элементов системы, сколько внешнее пространственное перемещение тел, где взаимодействия как будто не видно. Но если взглянуть глубже, то и при пространственном перемещении тел обязательно есть их взаимодействие с окружающей средой и материальными полями, в результате чего изменяются свойства тел. Не существует такого движения, в содержании которого не было бы взаимодействия элементов материи. В то же время всякое взаимодействие выступает как определенное изменение и движение.

Описание процесса взаимодействия, раскрытие его механизма и форм проявления составляют одну из центральных задач всей физики. В контексте этой задачи в науке сформировались два различных способа описания механизма физического взаимодействия, основывающиеся на принципах дальнодействия и близкодействия.

Исторически первым был сформулирован принцип дальнодействия. Его автором стал И. Ньютон, который с помощью данного принципа пытался объяснить механизм действия гравитационных сил. Согласно принципу дальнодействия взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных носителей и посредников (агентов взаимодействия).

В XIX в. был сформулирован принцип близкодействия, который в настоящее время существует в двух вариантах. Первый вариант был предложен М. Фарадеем, который считал, что взаимодействие между телами переносится полем от точки к точке с конечной скоростью. В XX в. принцип близкодействия был уточнен, в его современном варианте утверждается, что каждое фундаментальное физическое взаимодействие переносится соответствующим полем от точки к точке со скоростью, не превышающей скорость света в вакууме.

Обычно при физическом взаимодействии между двумя телами происходит частичный обмен импульсом и энергией. Если рассмотреть этот процесс более детально, то мы увидим, что в один момент времени первый объект потерял доли импульса и энергии, а второй объект в следующий момент времени их приобрел. В промежутке между первым и вторым моментами времени импульс и энергия должны принадлежать какому-то третьему материальному объекту – посреднику, который должен переместиться от первого объекта ко второму, затратив на это какое-то время.

На небольших расстояниях этим дополнительным временем можно пренебречь. Так, когда мы нажимаем кнопку выключателя, свет для нас загорается практически мгновенно. Однако чтобы свет дошел от Солнца до Земли, требуется уже около 8 минут, т.е. время для переноса взаимодействия становится заметным.

Таким образом, с точки зрения современной науки физическое взаимодействие всегда подчиняется принципу близкодействия, т.е. идет с некоторым запаздыванием. Но во многих задачах, описывающих механические процессы с медленно движущимися объектами, этим запаздыванием можно пренебречь и приближенно считать его нулевым. Следовательно, многие процессы можно описывать, используя приближенный принцип дальнодействия.

В XX в. физика смогла еще глубже проникнуть в тайны физического взаимодействия, понять его механизм на уровне процессов, происходящих в микромире. Также удалось свести многочисленные виды взаимодействий, известные в физике, к небольшому числу фундаментальных физических взаимодействий. Любые формы движения, изучаемые физикой, есть проявление глубинных свойств материи – так называемых фундаментальных физических взаимодействий. Это силы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.

В основе каждого фундаментального физического взаимодействия лежит изначально присущее веществу особое свойство, природу которого удастся выяснить лишь в ходе дальнейших исследований природы вещества и вакуума. В качестве носителя способности частиц к взаимодействию, а также количественной мерой самого взаимодействия служит понятие заряда. Каждая частица изначально обладает одним или несколькими зарядами, причем между собой взаимодействуют только однотипные заряды, а заряды разных типов друг друга «не замечают». Наименьшее дискретное значение заряда – квант – называют единичным зарядом. Сила взаимодействия во всех случаях пропорциональна произведению зарядов двух взаимодействующих частиц, более сложно она зависит от расстояния между частицами.

Согласно современным представлениям любое взаимодействие происходит в соответствии с принципом близкодействия. Поэтому взаимодействие любого вида должно иметь своего физического агента, без посредника оно не протекает. В основе такого требования лежит тот факт, что скорость передачи воздействия ограничена фундаментальным пределом – скоростью света. Воздействие передается через среду, разделяющую взаимодействующие частицы. Такой средой является вакуум, который в обыденном представлении ассоциируется с пустотой. На самом деле вакуум – это реальная физическая система, поле с минимальной энергией. Из него можно получить все другие состояния поля.

Для создания модели физического взаимодействия нужно вспомнить, что материя может быть разделена на поле и вещество, которые соответственно представлены частицами-бозонами и частицами-фермионами. В процессе физического взаимодействия всегда участвуют только частицы-фермионы (частицы вещества), а переносят взаимодействие частицы-бозоны (кванты полей).

Таким образом, теория физического взаимодействия использует следующую модель процесса:

• заряд-фермион создает вокруг частицы поле, порождающее присущие ему частицы-бозоны. Заряд частицы возмущает вакуум, и это возмущение с затуханием передается на определенное расстояние;
• частицы поля являются виртуальными – существуют очень короткое время и в эксперименте не могут быть обнаружены;
• оказавшись в радиусе действия однотипных зарядов, две реальные частицы начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный частицей-партнером, и наоборот;
• обмен бозонами создает эффект притяжения или отталкивания частиц-хозяев.

Таким образом, каждой частице, участвующей в одном из фундаментальных взаимодействий, соответствует своя бозонная частица – переносчик взаимодействия.

Типы взаимодействий. Рассмотрим подробнее существующие физические взаимодействия. Для каждого взаимодействия можно назвать сферу его применения и значение для строения Вселенной, заряд – носитель взаимодействия и частицу – переносчик взаимодействия, результаты взаимодействия, место среди других взаимодействий, а также особенности, отличающие от других фундаментальных взаимодействий.

Гравитационное взаимодействие первым из всех известных сегодня фундаментальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. В классической науке оно описывается законом всемирного тяготения, согласно которому между двумя телами существует сила притяжения, которая прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Отсюда следует, что любая материальная частица является источником гравитационного взаимодействия и испытывает его на себе. По мере увеличения массы вещества гравитационные взаимодействия возрастают, т.е. чем больше масса взаимодействующих веществ, тем сильнее действуют гравитационные силы.

Гравитационное взаимодействие является наиболее слабым из всех известных современной науке взаимодействий, оно в 1040 раз слабее силы взаимодействия электрических зарядов. Чтобы эта величина стала понятнее, можно провести следующую аналогию: если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не электромагнитными силами, то радиус электрона в нем превосходил бы радиус доступной наблюдению части Вселенной.

Гравитация, будучи очень слабой силой, тем не менее определяет строение всей Вселенной: образование всех космических систем, существование планет, звезд и галактик, концентрацию рассеянной в ходе эволюции звезд и галактик материи и включение ее в новые циклы развития. Такая огромная роль гравитационного взаимодействия определяется его универсальностью. Ничто во Вселенной не может избежать этой силы. Все тела и частицы, не только имеющие массу, а также поля, участвуют в гравитационном взаимодействии. Это было выяснено еще Ньютоном в открытом им законе всемирного тяготения, который описывает гравитационное взаимодействие. Поэтому в микромире гравитационная сила слаба, она теряется на фоне куда более могучих сил. Зато в макромире она господствует. Правда, как считают ученые, при некоторых условиях гравитация может сравняться по своей значимости с другими силами, господствующими в микромире. Для этого требуется, чтобы вещество находилось в состоянии экстремально высокой плотности, равной 1094 г/см3 (планковская плотность).

Гравитационная сила действует на очень больших расстояниях, ее интенсивность с увеличением расстояния убывает, но не исчезает полностью.

С точки зрения современной науки гравитационное взаимодействие должно происходить по предложенной нами модели. Гравитационный заряд равен инертной массе вещества. Он создает вокруг себя гравитационное поле (поле тяготения). Это поле должно иметь свою бозонную частицу. Ее назвали гравитоном. Силы тяготения являются результатом постоянного обмена между гравитонами, или гравитационными волнами. Они переносят энергию, обладают пространственно-временными свойствами, импульсом и другими характеристиками, присущими материальным объектам. Поскольку экспериментально эта частица еще не обнаружена, она считается гипотетической. Тем не менее, косвенно ее существование удалось подтвердить.

Согласно современным представлениям движение тела, обладающего массой, под действием силы вызывает возмущение своего же гравитационного поля, распространяющегося со скоростью света в форме гравитационной волны. Поскольку гравитационная сила очень мала, то ее волна имеет малую амплитуду. Даже такие грандиозные космические события, как взрыв сверхновой или коллапс массивной звезды, создают гравитационные волны, лежащие за пределами чувствительности современных регистрирующих приборов. Именно поэтому гравитоны до сих пор не обнаружены.

Для гравитации не существует противоположной эквивалентной силы отталкивания (антигравитации). Даже в антимире, если он существует, все античастицы обладают положительными значениями массы и энергии. Поэтому гравитация всегда проявляется только как притяжение.

Электромагнитное взаимодействие обладает универсальным характером и осуществляется между любыми телами в микро-, макро-и мегамире. Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий, являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболочек атомов и молекул, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. К электромагнитному взаимодействию сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения; им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

По своей величине электромагнитные силы намного превосходят гравитационные, занимая второе место на шкале взаимодействий. Поэтому эти силы легко наблюдать даже между телами обычных размеров. Но, как и гравитационные силы, электромагнитные взаимодействия являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Как и гравитация, электромагнитное взаимодействие подчиняется закону обратных квадратов, уменьшается с расстоянием, но не исчезает.

В отличие от гравитационной силы, электромагнитные взаимодействия существуют только между заряженными частицами: электрическое поле – между двумя покоящимися заряженными частицами, магнитное – между двумя движущимися заряженными частицами.

В современной физической картине мира основой теории электромагнитного взаимодействия является теория электромагнитного поля Дж. Максвелла. Однако современная физика создала более совершенную и точную теорию электромагнетизма, в которой учтены квантово-полевые аспекты явления. Эта теория названа квантовой электродинамикой. Электрический заряд создает поле, переносчиками этого типа взаимодействия являются фотоны. В случае разноименных зарядов обмен создает эффект притяжения, а в случае одноименных – отталкивания. В этом состоит еще одно отличие электромагнитного взаимодействия от гравитационного, которое проявляется только как притяжение.

Слабое взаимодействие – третий тип фундаментального взаимодействия, которое действует только в микромире. Физической основой этого типа взаимодействия служит процесс распада частиц, поэтому его открытие произошло вслед за открытием радиоактивности. Слабое взаимодействие ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга и играет очень важную роль не только в микромире, но и во многих явлениях космического масштаба. Благодаря слабому взаимодействию происходят термоядерные реакции, без которых погасло бы Солнце и большинство звезд.

Слабое взаимодействие значительно слабее электромагнитного, но больше гравитационного, и в отличие от них распространяется на небольших расстояниях. Именно поэтому долгое время слабое взаимодействие экспериментально не наблюдалось.

Модель слабого взаимодействия рассматривает два типа фундаментальных взаимодействий как проявление единого, более глубокого электрослабого взаимодействия. Так, на расстоянии более 10-17 см преобладает электромагнитный тип, а на меньших расстояниях в одинаковой степени важны и элетромагнитный, и слабый типы.

Теория электрослабого взаимодействия исходит из существования единого фундаментального заряда, отвечающего одновременно и за слабое, и за электромагнитное взаимодействия. При очень высоких температурах (энергиях), сравнимых с теми, которые имели место в первые мгновения существования Вселенной после Большого взрыва, структура вакуума нарушается, и она не может помешать проявлению такого заряда. Тогда слабое и электромагнитное взаимодействия сливаются воедино. При понижении температуры наступает критический момент, после которого вакуум переходит в иную, более упорядоченную форму. В результате заряд распадается на две части – электромагнитный и слабый заряд, а переносчик электрослабого взаимодействия – на четыре составляющих (фотон – переносчик электромагнитного взаимодействия и три тяжелых векторных бозона – переносчики слабого взаимодействия).

Объединение электромагнитного и слабого взаимодействий стало важным научным открытием, поскольку позволило успешно описать все процессы, происходящие при энергиях от долей электронвольта до сотен гигаэлектронвольт. Кроме того, эта теория позволила также объяснить превращение элементарных частиц друг в друга и понять сущность и механизм протекания термоядерных реакций, происходящих на Солнце и большинстве звезд.

Сильное взаимодействие , занимающее первое место по силе и являющееся источником огромной энергии, также было открыто только в XX в. Основная функция сильного взаимодействия – соединять кварки и антикварки в адроны. С его помощью ученые объяснили, почему протоны ядра атома не разлетаются под действием электромагнитных сил отталкивания.

Исходным положением теории является постулат о существовании трех типов цветовых зарядов (красного, синего, зеленого). Они присущи кваркам и выражают способность вещества к сильному взаимодействию. Цвет кварков подобен электрическому заряду. Как и электрические заряды, одноименные цвета отталкиваются, разноименные – притягиваются. Когда три кварка или кварк и антикварк объединяются в адрон, суммарная комбинация цветовых зарядов в нем такова, что адрон в целом обладает цветовой нейтральностью.

Цветовые заряды создают поля с присущими им квантами – бозонами. Переносчики сильного взаимодействия названы глюонами (от англ. glue – клей). Они, подобно фотонам, имеют спин, равный единице, и массу, равную нулю. Но электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим, а сильное взаимодействие имеет очень ограниченный радиус действия – до 10-13 см (порядка атомного ядра).

Электрический заряд есть только один, хотя он и может принимать положительные и отрицательные значения. Поэтому фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия – электрически нейтральны, они не переносят заряда. Когда кварки взаимодействуют друг с другом, они излучают глюоны и переходят в другое цветовое состояние. Поэтому глюоны тоже имеют цветовой заряд. Всего существует восемь глюонов – переносчиков сильного взаимодействия.

Все фундаментальные взаимодействия зависят от расстояния между зарядами – с уменьшением расстояния между ними сила взаимодействия возрастает (обратно пропорциональная зависимость). Сильное взаимодействие тоже зависит от расстояния между цветовыми зарядами, но прямо пропорционально. Из-за особых свойств глюонного поля цветовое взаимодействие между кварками тем меньше, чем они ближе расположены друг к другу. На малых расстояниях кварки перестают влиять друг на друга и ведут себя как свободные частицы. Но как только расстояние между кварками начинает увеличиваться, сила взаимодействия возрастает. Для разделения двух частиц с цветовыми зарядами понадобилась бы бесконечно большая энергия. Лишь в первые моменты после Большого взрыва в силу существовавших огромных температур было возможно свободное существование кварков.

Ядерное взаимодействие. До открытия кварков и цветового взаимодействия фундаментальным считалось ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны в ядрах атомов. Однако с открытием кваркового уровня вещества под сильным взаимодействием стали понимать цветовые взаимодействия между кварками, объединяющимися в адроны. Ядерные силы перестали считаться фундаментальными, они должны как-то выражаться через цветные силы. Теория предполагает, что при сближении барионов (протонов и нейтронов) на расстояние меньшее, чем 10^-13 см, они теряют свои индивидуальные особенности, глюонный обмен между кварками, удерживающий их в адронах, принимает коллективный характер. Таким образом, кварки всех барионов связываются в единую систему – атомное ядро.

Происхождение неживой материи, Вселенной

Отдельным участком астрономии есть космология. Она занимается проблемами происхождения Вселенной.

Вот вопросы, на которые должна отвечать космология:

• как мог возникнуть Большой взрыв вопреки основному закону природы – закону сохранения энергии? Причем еще и с немыслимой температурой, вопреки законам термодинамики?
• почему Вселенная имеет ячеистую структуру сверхскоплений и скоплений галактик? И почему она все время расширяется совсем не так, как должна бы после взрыва и даже в следствие некой «инфляции»? Ведь разбегаются не звезды и даже не отдельные галактики, а лишь скопления галактик. В то время как звезды и галактики, наоборот, как бы связаны друг с другом и образуют устойчивые структуры? Причем скопления галактик, в каком направлении ни посмотри, разбегаются примерно с одинаковой скоростью? Причем, не замедляясь, а ускоряясь?
• почему Вселенная имеет повсеместно неравномерную температуру звезд и тел, но строго равномерное во всех точках межзвездного пространства микроволновое излучение, около 2,73 градусов выше абсолютного нуля (отклонения не превышают 10^?4 градуса)? Так не бывает после взрывов.
• почему Вселенная состоит из вещества, и нигде в ней не встречается антивещество?
• почему галактики и звездные системы имеют, как правило, формы плоских дисков?
• какая сила привела во вращение все звездные системы и галактики?
• почему заряд электрона по модулю строго равен заряду протона, который имеет массу на три порядка большую, чем электрон, и якобы состоит из кварков с дробными зарядами?
• почему атомы даже самых тяжелых элементов, в которых более сотни электронов якобы распределены по 4-м энергетическим уровням и 7-ми слоям-орбиталям, по размеру оказываются почти такими же, как и легчайший атом водорода, имеющий один электрон? И почему не все атомы круглые?
• почему черные дыры, которые по логике имеют якобы равномерную объемную плотность, взаимодействуют с видимой материей так, что она собирается возле них в «спирали»?
• что придает всем телам во Вселенной свойство гравитации?
• что придает всем телам, галактикам, скоплениям галактик во Вселенной свойство инерции? Если бозон Хиггса, тогда каким же образом он придает ее всему?
• как возникла Луна и почему она всегда обращена к Земле лишь одной стороной?

Подавляющее большинство современных астрономов – материалисты. Они решают для себя проблему происхождения Вселенной в материалистическом ключе. Причем, в материалистической космологической мысли можно выделить два принципиальных направления: 1) вечная Вселенная без начала и конца; 2) невечная Вселенная, имевшая во времени конкретное начало и будет иметь конец.

Сразу укажем, что первая мысль противоречит всем основным научным сведениям. Наша Вселенная однозначно началась во времени, и большинство процессов в ней протекает необратимо (стрела времени) – Вселенная будто «раскручивается», бывши первоначально «закрученной» (II-й закон термодинамики).

Существует еще одно, третье направление, являющееся своеобразным симбиозом первых двух, – а именно, гипотеза «вечно-невечной» Вселенной. Эту гипотезу можно коротко сформулировать так: внутри большой Вселенной-вакуума, не имеющей начала и конца во времени, беспрерывно спонтанно возникают меньшие Вселенные с началом и концом, наподобие нашей («Вселенная, вечно воссоздающая себя»).

Идея вечной Вселенной наиболее удобна для эволюционистов, а вышеприведенная третья формулировка как раз и позволяет оставаться на позициях вечности. По этой причине, большинство эволюционистов отвергло идею о вечности нашей Вселенной и перешло к третьему направлению, то есть, к идее вечности большой Вселенной.

Итак, наиболее распространенной моделью материалистической космологии есть «супер Вселенная», внутри которой, словно пузырька в кипящей жидкости, постоянно «самовзрываются» сравнительно маленькие Вселенные со случайным набором внутренних параметров (фундаментальные константы и физические законы); при определенных значениях фундаментальных констант новорожденная Вселенная приобретает сложную внутреннюю структуру со стабильными атомами и высокоорганизованными атомарными системами [Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. - М.: Наука, 1990. - С. 157].

Что же касается отдельного участка этой общей модели – а именно, происхождения отдельного «пузырька» (нашей Вселенной) – то здесь эволюционисты сошлись на теории «Большого Взрыва».

Эта основополагающая концепция происхождения сложной организации неживой материи базируется на космологических моделях начала минувшего века. В 1917 году Эйнштейн на основании только что открытой им общей теории относительности, получает первую теоретическую стационарную модель Вселенной, выраженную в двух коротких уравнениях. В 1923 году советский математик Александр Фридман получил общие решения этих уравнений и продемонстрировал нестационарность эйнштейновской Вселенной, предложив теорию расширяющейся Вселенной. Через 6 лет американец Эдвин Хабл открывает явление красного сдвига, состоящее в сдвиге положения характерных спектральных полос на спектре электромагнитного излучения звезд в сторону более низких частот (к инфракрасной области). Причиной этого может быть разбегание галактик (допплеровский сдвиг частоты). Далее, в конце 1940х годов американец, русский по происхождению, Георгий Гамов с учениками выдвигает гипотезу, что расширению Вселенной может существовать подтверждение в виде «остаточного» электромагнитного излучения с характерной температурой ~5 К. В 1965 году такое явление было действительно наблюдено Уильсоном и Пензиасом (микроволновая фоновая радиация). Характерная температура составляла ~2,7 К. Реликтовое излучение оказалось квазиизотропным (приблизительно одинаковым по всем направлениям), то есть не исходящим от какого-либо одного конкретного источника. На каждую частицу во Вселенной приходится приблизительно 1 млрд. фотонов микроволновой фоновой радиации.

Подытожим историю развития теории большого взрыва такой формулой:

Теория большого взрыва:
Общая теория относительности >
Идея, что Вселенная расширяется >
Идея, что Вселенная раньше имела высокую температуру
+ Два аргумента в подтверждение.

Теория большого взрыва служит отправным пунктом в построении других астрономических моделей происхождения: происхождение галактик и планетных систем, рождения и жизни звезд и т.п.

Согласно представлениям большинства современных астрономов [Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. - М.: Наука, 1990. - С. 93-150 та Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. - Библиотечка «Квант», вып. 68], развитие Вселенной имело такую хронологию. В начале (10-20 млрд. лет тому назад) вся материя находилась в состоянии чрезвычайно высокого давления и температуры. Причем, вещество, то есть элементарные частицы, а также законы взаимодействия между ними, находились не в реальной, а виртуальной (потенциально возможной) форме. (Нужно, наверное, так понимать, что сначала вещество было виртуальным, а потом внезапно стало реальным, поскольку невозможно говорить о высоком давлении и температуре виртуального вещества.) Потом в этой первоначальной Сингулярности объемом ~1 см3 произошла какая-то флюктуация (отклонение), и она начала расширяться, что сопровождалось ее охлаждением. Скорость расширения Сингулярности сначала была максимальной, но спадала по мере расширения. На протяжении только первой секунды объем Сингулярности возрос так сильно, что температура упала на 30 порядков – от ~1040 К до ~1010 К (!). Это очень напоминает процесс взрыва, откуда и название теории. Материя начала «свертываться» в атомные ядра и электроны, те «слипались» в звезды и планеты. Образовывались звездные системы, галактики и скопления галактик. Возникли (в теперешнем виде) не только все элементы материи, но и все основные законы ее функционирования, например, закон гравитации. Этот закон заставляет все космические единицы вращаться вокруг более крупных единиц: спутники вращаются вокруг планеты, планеты – вокруг звезды, звезды – вокруг центра галактики, галактики – вокруг центра галактических скоплений. Из химических элементов первым образовался однопротонный водород. Водород был очень горячим. Гелий возник как продукт термоядерного синтеза водорода. Литий и прочие легкие элементы (до железа) тоже могли образоваться от термоядерного синтеза более простых элементов. Нуклеосинтез (синтез ядер) длился лишь первые 300 секунд. Через миллиард лет, когда сформировались галактики и звезды, он возобновляется. Во вспышках сверхновых звезд теоретически мог происходить нуклеосинтез тяжелых элементов (тяжелее железа). Рис. 5 изображает хронологию событий после «рождения»[ Климишин И.А. Элементарная астрономия. - М.: Наука, 1991. - С. 187].

Происхождение материи в этой теории рассматривается от взрыва Сингулярности и дальше. Откуда взялась сама Сингулярность – авторы не говорят. Если постулировать сложность Вселенной следствием сложности Сингулярности, то такая теория была бы просто попыткой уйти от ответа на вопрос о Происхождении. Авторы теории так не делают. Чтобы быть последовательными материалистами, они предлагают рассматривать первоначальную Сингулярность как неупорядоченную, как энергетическую мешанину, а сложность строения Вселенной – следствием «бездумного» самособирания отдельных элементов Сингулярности. Материалисты верят, что сложность устройства Вселенной и высокая подогнанность его параметров случайна и вполне возможна, а также, что Вселенная развивается от нулевой (или очень низкой) организации к высокой. Имеет место последовательное развитие главной мысли материализма, перенесение материально-случайной логики на проблему происхождения неживой материи.

Гипотеза «Большого Взрыва» и образования Вселенной

Вначале о веществе. Вещество состоит из атомных ядер – нуклидов. В ядре находятся протоны и нейтроны. Их называют нуклонами. Число протонов определяет заряд ядра (Z), а общее число протонов и нейтронов (N) – массовое число, или массу ядра (А), т.е Z + N = A Фактически эти два параметра ядра – Z и A - определяют характеристики нуклида и самого вещества.

Так, например, водород, наиболее распространенный и легкий элемент во Вселенной, имеет Z = 1 (его обозначение 1Н), а среди наиболее тяжелых и редких – уран имеет Z = 92 (92U). Одной из задач астрофизики как раз и является выяснение происхождения и распространенности отдельных нуклидов во Вселенной, а их примерно 300.

«Большой Взрыв» – это стремительное падение изначально огромной плотности, температуры и давления вещества, сконцентрированного в очень малом объеме Вселенной. В начальный момент Вселенная имела гигантскую плотность и температуру.

Согласно гипотезе «Большого Взрыва», первоначальное состояние Вселенной характеризовалось чрезвычайно большой плотностью и температурой, недостижимыми современной физикой. В пределе в момент времени нуль, 10-20 млрд. лет назад, вся материя находилась в сингулярности – в бесконечно малой области с бесконечно большой плотностью и температурой. По неизвестной науке причине в момент времени «нуль» произошел так называемый «Большой Взрыв», в результате которого материя (частицы, античастицы и излучение) стала расширяться, заполняя все больший объем, причем состояние и свойства материи были однородными и изотропными (без выделенных областей или направлений), а плотность и температура частиц, античастиц и излучения снижались.

Собственно сам «Большой Взрыв» нельзя называть взрывом в обыденном смысле этого слова, поскольку при всех известных взрывах не достигается однородного и изотропного разлета материи. Существующие теории вещества, излучения и гравитационного поля, как предполагается, применимы к материи, плотность которой ниже планковской плотности (10^93 г/см^3), а температура ниже планковской температуры (10^32 К). Согласно фридмановской модели, указанные значения плотности и температуры наступили через планковское время (10^-43 с) после начала расширения материи, т.е. от момента «Большого Взрыва». Все процессы, которые происходили в интервал времени до планковского остаются невыясненными для современной науки. Начиная с планковского времени, можно высказать предположения какие процессы и как происходили в первичной материи. При столь высоких температурах энергии фотонов было достаточно для рождения пар всех известных науке частиц и античастиц. Так, при температуре порядка 10^13 К протекали реакции рождения и уничтожения нуклонов (протонов и нейтронов) и антинуклонов, а также мезонов, электронов и позитронов, нейтрино и антинейтрино и др. По мере понижения температуры до 5*10^12 К прекратились реакции рождения фотонами нуклон-антинуклонных пар; нуклоны и антинуклоны аннигилировали и остался небольшой (относительная доля 10^-9) остаток избыточных нуклонов, для которых не хватило античастиц. Из этих избыточных нуклонов позднее составится все вещество Метагалактики. Причина наличия избыточных нуклонов (протонов и нейтронов) науке не известна. При температуре порядка 10^11 К плотность материи уменьшилась до плотности ядерного вещества. С этого момента времени, как считается, возможно изучение эволюции материи по твердо установленным ядерной физикой законам. При температуре примерно 2*10^10 К электронные нейтрино перестали активно взаимодействовать с частицами и отделились в свободный нейтринный газ, для которого вся материя вселенной стала прозрачной.

В течение короткого промежутка времени после Большого взрыва – всего 10-36 сек – крохотная Вселенная была заполнена фундаментальными частицами. Эти частицы, в отличие от нуклидов, протонов и нейтронов – неделимы. Из них и состоят, собственно, протоны и нейтроны – основа ядерной материи. Это – фундаментальные фермионы, взаимодействующие друг с другом посредством единого, на тот период развития Вселенной, фундаментального взаимодействия. Как происходило такое взаимодействие? Через частицы. Они называются бозонами. Их четыре: фотон (гамма-квант), глюон и два бозона – W и Z. А сами фундаментальные частицы, т.е. фермионы – это шесть видов кварков и шесть видов лептонов.

Именно эта группа частиц из 12 фермионов, взаимодействующих друг с другом посредством 4-х бозонов, по сути и есть зародыш Вселенной. Но это еще неполная картина. Среди кварков и лептонов были их антиподы – античастицы, отличавшиеся от обычных частиц знаком некоторых характеристик взаимодействия. В простейшем случае – это электрический заряд. Например, один из лептонов – электрон (е-) может быть как отрицательно заряженным, так и положительно (в этом случае его называют позитроном (е+). Античастицы существуют почти у всех частиц, за исключением фотона (гамма) и некоторых других. Для них античастицами являются они сами.

Сверхвысокие начальные температуры Вселенной приводили к столкновениям частиц и их взаимному превращению. Так, из пары фотонов могли образоваться электрон и позитрон, а столкновение последних (процесс взаимодействия частицы и античастицы называется аннигиляцией) привести к рождению вновь пары фотонов:

(2гамма) -----> (е+,е-)
(е+,е-) -----> (2гамма)

Было возможным и появление новых частиц – нейтрино (ню) и антинейтрино (антинейтрино):

(е+,е-) -----> (ню,антинейтрино)

А взаимодействие нейтрино со своей античастицей приводило вновь к появлению электрона и позитрона.

Взаимные превращения частиц в условиях сверхвысоких температур напоминали «кипящий суп», в котором число частиц и античастиц было равным. Это означает, что наряду с Вселенной существовала и Антивселенная. Сейчас, через многие миллиарды лет после этого момента, делаются попытки найти ее или то, что от нее осталось.

Современная физика полагает, что частицы – фермионы и бозоны, появившиеся сразу после Большого взрыва, неделимы. «Полагает» – означает, что нет пока никаких сведений об их внутреннем строении. Фермионы и бозоны были безмассовыми где-то вплоть до 10-10 сек развития Вселенной и составляли, так называемый «кипящий суп», крохотной Вселенной. Они взаимодействовали друг с другом по единому закону Великого объединения.

На 10^-36 сек эпоха Великого объединения рухнула. Характер взаимодействия частиц начал меняться. Слияние частиц и образование более тяжелых было невозможным, пока Вселенная имела высокую температуру.

Охлаждение Вселенной продолжалось в течение 1 микросекунды. За это время частицы, наполняющие крохотную, размером не более 10^-14 см, Вселенную, приобретают массу, их энергия увеличивается, и появляются новые частицы – «настоящие» кварки – с массой – кирпичики той материи, из которой и состоит современная Вселенная. Стало возможным слияние кварков в более массивные частицы – адроны и антиадроны.

Но Вселенная продолжала остывать, и это привело к уменьшению числа адронов по сравнению с числом лептонов. Среди лептонов имеются нейтрино. В этот период жизни Вселенной (на этот момент ей исполнилось примерно 10 сек) нейтрино, практически не обладающие массой, оказались на свободе: их расширение происходило независимо от всех остальных частиц. Это – реликтовые нейтрино. Ожидается, что они сохранились до сих пор.

Тем временем, аннигиляция частиц продолжалась, что вызвало увеличение числа фотонов. Вселенная стала состоять практически из одного излучения – фотонов и нейтрино. Это была радиационная эра в ее развитии. Дальнейшее уменьшение температуры за счет расширения Вселенной и уменьшение энергии излучения привело к тому, что через десятки тысяч лет после Большого взрыва вещество начинало преобладать над изучением, и практически перестало взаимодействовать с излучением. А через сотни тысяч лет после Большого взрыва Вселенная как будто «забыла» о своем исходном состоянии.

Из-за расширения Вселенной температура космологического нейтринного газа постепенно снизилась и в настоящее время должна составлять примерно 2 К, а плотность порядка 450 нейтрино на 1 см^3. Наука пока не в состоянии обнаружить космологические нейтрино. Если окажется, что нейтрино имеют массу покоя, то эти частицы внесут весьма большой вклад в среднюю плотность материи – на порядок большую, чем плотность непосредственно наблюдаемого вещества. Когда температура материи снизилась до (1-2)*10^9 К наступил и продлился несколько секунд (1-3 с) период активного ядерного синтеза: протоны и нейтроны образовали ядра гелия, других же элементов образовалось исчезающее мало. В результате ядерного синтеза во вселенной на ядра водорода (протоны) должно приходиться 75% общей массы нуклонов, а на ядра гелия – 25%. Такое же соотношение для ядер водорода и гелия реально наблюдается, что, как считается, подтверждает гипотезу «Большого Взрыва». (Количество гелия, образовавшегося при термоядерном горении водорода в звездах за все прошедшее время, оценивается всего лишь в 2% по массе.) После стадии термоядерных реакций температура материи была настолько высока, что вещество еще примерно 1 млн. лет оставалось в состоянии плазмы, равновесной с излучением. При температуре плазмы порядка 4000 К произошла рекомбинация – протоны присоединили электроны и образовался нейтральный водород; несколько ранее образовался нейтральный гелий. Наступила эпоха разделения вещества и излучения: фотоны перестали активно взаимодействовать с веществом и стали распространяться свободно в ставшем для них прозрачном мире. Можно сказать, что в космосе вспыхнул свет, поскольку фотоны имели планковский спектр, максимум которого соответствовал температуре 4000 К, что характерно для видимого (в оптическом диапазоне) света. Вещество – первичные газообразные водород и гелий – позднее образовало звезды и галактики. Излучение же, по причине расширения Метагалактики, постепенно снизило свою температуру (длина волны увеличивалась пропорционально радиусу вселенной), и сейчас регистрируется как микроволновое фоновое (реликтовое) излучение с температурой 2,7 К, длиной волны от 60 см до 0,6 мм (максимум излучения при 1,1 мм) и плотностью 400-500 фотонов на 1 см^3.

Реликтовое излучение. Согласно теории Большого Взрыва, ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму, состоящую из электронов, барионов и постоянно излучающихся, поглощающихся и вновь переизлучающихся фотонов. Фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы, сталкиваясь с ними и обмениваясь энергией – имели место рассеяние Томсона и Комптона. Таким образом, излучение находилось в состоянии теплового равновесия с веществом, а его спектр соответствовал спектру абсолютно черного тела.

По мере расширения Вселенной, космологическое красное смещение вызывало остывание плазмы, и на определенном этапе замедлившиеся электроны получили возможность соединяться с замедлившимися протонами (ядрами водорода) и альфа-частицами (ядрами гелия), образуя атомы (этот процесс называется рекомбинацией). Это случилось при температуре плазмы около 3000 К и примерном возрасте Вселенной 400 000 лет.
Свободного пространства между частицами стало больше, заряженных частиц стало меньше, фотоны перестали так часто рассеиваться и теперь могли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Реликтовое излучение и составляют те фотоны, которые были в то время излучены плазмой в сторону будущего расположения Земли, в связи с уже идущей рекомбинацией избежали рассеяния, и до сих пор достигают Землю через пространство продолжающей расширяться вселенной. Наблюдаемая сфера, соответствующая данному моменту, называется поверхностью последнего рассеяния. Это – самый удаленный объект, который можно наблюдать в электромагнитном спектре.

В результате дальнейшего расширения Вселенной, эффективная температура этого излучения снизилась почти до абсолютного нуля, и сейчас составляет всего 2,725 К.

Наличие реликтового излучения считается еще одним подтверждением гипотезы «Большого Взрыва». Реликтовое излучение характеризуется высокой степенью изотропности, что подтверждает предположение о высокой изотропности первичного вещества во вселенной. Незначительные различия в интенсивности реликтового излучения, принимаемого от различных участков небесной сферы (анизотропия) несут информацию о характере первичных возмущений в веществе, которые, как полагают, в дальнейшем привели к образованию звезд, галактик и их систем.

Рис. Диаграмма Большого взрыва – сотворения мира с основными моментами и характеристиками расширяющейся Вселенной. До 10^-43 сек господствовала эпоха Великого объединения всех трех взаимодействий, закончившаяся на 10-6 сек слиянием кварков в адроны. На 10 секунде наступила эра доминирования излучения над веществом (радиационная эра). Лишь через 40000 лет вещество начало преобладать над излучением, что привело к образованию атомов (через 4000000 лет). Эра вещества продолжается до наших дней, спустя 15 миллиардов лет после Начала.

Важной проблемой, которую должна была решить гипотеза «Большого Взрыва», это механизм образования звезд, галактик и их скоплений, ведь вещество и излучение были распространены однородно и изотропно. И в настоящее время наблюдается однородность вещества в крупных масштабах порядка 100 Мпк, отражающая однородность вещества в далеком прошлом. Но в более мелких масштабах наблюдаются неоднородности плотности вещества – вещество сосредоточено в галактиках и их скоплениях. Для того, чтобы однородно распределенное вещество подверглось фрагментации, необходимо существование отклонений от однородности, причем только возмущения плотности с характерными размерами, превышающими критический размер (джинсовскую длину волны), способны нарастать и увеличиваться, тогда как остальные возмущения плотности постепенно затухают. Критический размер возмущений плотности вещества зависит от его температуры и средней плотности. Проблема заключается в том, чтобы согласовать гипотезу расширяющейся Вселенной с гипотезой образования галактик и их скоплений, имеющих конкретные размеры и плотность вещества. Трудности на этом пути еще не преодолены.

Гравитационная неустойчивость вещества должна приводить не только к образованию галактик и их скоплений, но и к образованию значительно меньших объектов – звезд. Предполагается, что звезды могут образовываться из газо-пылевых комплексов массой от 10^3 до 10^4 масс Солнца, размерами 10-100 пк (парсек) и температурой десятки кельвинов. По мере сжатия таких комплексов происходит нагрев вещества и потеря тепла за счет мощного инфракрасного излучения. Сжимаясь, газо-пылевое облако дробится на все более мелкие фрагменты – протозвезды, которые, продолжая сжиматься, дают начало звездам. Наблюдения вселенной подтверждают, что в межзвездных газо-пылевых комплексах действительно существуют компактные источники инфракрасного излучения, что, как считается, свидетельствует в пользу продолжающегося и по настоящее время процесса звездообразования. Постепенно сжимаясь, протозвезды становятся все более непрозрачными для инфракрасного излучения, поэтому они нагреваются и достигают температур, когда начинается термоядерный синтез гелия за счет водорода, т.е. рождаются звезды.

Звезды проходят длительный этап эволюции, в течение которой они тратят ядерное горючее и прекращают свое существование. В недрах звезд происходит синтез химических элементов, причем таким способом возможно образование элементов вплоть до железа. Более тяжелые элементы образуются на конечных стадиях эволюции звезд – при взрывах так называемых сверхновых звезд. В ходе эволюции звезд Вселенная обогащается тяжелыми химическими элементами, выброшенными первыми звездами при истечении вещества или при взрывах. Звезды последующих поколений, и в частности, как полагают, Солнце, образовались уже из вещества, обогащенного тяжелыми элементами. Возраст старых звездных скоплений в нашей Галактике оценивается в 10-15 млрд. лет, возраст нашего Солнца – 4,6-5 млрд. лет. Эти цифры получены в рамках теории эволюции звезд по наблюдаемым значениям их светимости и массы.

В космологической модели Фридмана-Леметра с учетом конкретных данных по разбеганию галактик (значения постоянной Хаббла) возраст вселенной (Метагалактики) оценивается в 10-20 млрд. лет. Дальнейшая судьба вселенной зависит от средней плотности вещества в ней, точнее от соотношения между средней плотностью материи и критической плотностью, равной в настоящее время 5*10^-30 г/см^3. При плотности материи, превышающей критическое значение, рано или поздно произойдет остановка расширения и начнется обратное сжатие вселенной. (Некоторые ученые предполагают, что сжатием история вселенной не заканчивается. После сжатия вселенная вновь пройдет стадию сингулярности и опять начнет расширяться, и так без конца, периодически пульсируя. Но это всего лишь одна из многочисленных гипотез.) При плотности равной критической расширение будет постепенно замедляться до нулевой скорости. При плотности материи меньше критической расширение вселенной никогда не прекратится. По современным данным в настоящее время плотность материи ниже критической. Однако, возможно существование скрытой массы (сосредоточенной, например, в нейтрино), превышающей всю видимую массу вещества, и вносящей существенный вклад в общую плотность материи. В настоящее время вопрос о дальнейшей судьбе вселенной остается открытым.

Таким образом, мы кратко рассмотрели космологическую модель нестационарной расширяющейся Вселенной в рамках гипотезы «Большого Взрыва». Считается, что эта гипотеза подтверждается такими фактами: красным смещением спектра свечения галактик (разбеганием галактик); наличием микроволнового фонового (реликтового) излучения с температурой 2,7 К; наблюдаемыми количествами химических элементов во вселенной: 75% общей массы нуклонов приходится на водород и 25% - на гелий, остальных элементов – незначительная доля, а также сопоставимостью возраста звездных объектов и времени их эволюции с возрастом Метагалактики. Но у гипотезы «Большого Взрыва» имеются свои трудности.

Первая трудность возникает с самого начала – с момента существования сингулярности, когда вся материя была сжата в точку до бесконечной плотности и имела бесконечную температуру, что физически непостижимо. К той же трудности можно отнести самый ранний этап развития Вселенной, когда ее плотность и температура превышали планковские значения плотности и температуры. Современная наука не может описать состояние материи с такой плотностью и температурой, а тем более наукой необъяснимо состояние сингулярности.

Вторая трудность связана с первой и выражается вопросом: почему произошел «Большой Взрыв» и сингулярность исчезла? Каковы причины и механизмы этого глобального явления? Наука ничего здесь не может сказать.

Третья трудность также связана с первой и выражается вопросом: что было до сингулярности, или откуда появилась Вселенная? Чтобы обойти этот вопрос предлагали версию вечно пульсирующей Вселенной – периодически расширяющейся и сжимающейся. Однако в таком случае возникают другие вопросы: что побуждает Вселенную после сжатия вновь начинать расширение?

Четвертая трудность опять же связана с первой и состоит в том, что непонятны условия, благодаря которым «Большой Взрыв» привел к однородному и изотропному расширению Вселенной, а не расширению в виде разлета отдельных «осколков» или струй, как это бывает при взрывах. Кроме глобальных неразрешимых вопросов, связанных с сингулярностью и причиной возникновения «Большого Взрыва», существуют и другие, более «прозаические» проблемы. Например, не ясно, почему количество нуклонов во Вселенной оказалось немного большим количества антинуклонов, так что этот избыток сформировал все существующее ныне вещество?

Еще один вопрос связан с тем, что гипотеза «Большого Взрыва» пока не может объяснить существование галактик и их скоплений. Следующая проблема состоит в том, что в рамках нестационарной расширяющейся Вселенной материя была однородной, но при этом существовало большое количество пространственных областей, не связанных друг с другом причинными связями. Т.е., не ясен механизм или причина, приводящая к установлению высокой степени однородности в этих не связанных друг с другом областях. Непонятно почему плотность материи в современной Метагалактике близка к критической. И наконец, как уже говорилось, непонятно, как мог образоваться определенный спектр первичных возмущений плотности вещества, чтобы образовались галактики и их скопления. Чтобы как-то объяснить причину однородности материи и ответить на два следующих вышеперечисленных вопроса была предложена довольно странная, так называемая «инфляционная модель» Вселенной, согласно которой на самых ранних этапах расширение вселенной шло ускоренно по экспоненте, при этом давление среды было отрицательным, а плотность энергии постоянной, несмотря на увеличение размеров Метагалактики. Однако и в этой модели возникают свои проблемы. Например, какова природа физического поля, приводящего к инфляционному расширению? Почему инфляционное расширение прекратилось и наступило расширение фридмановское? Ученые надеются, что они смогут найти ответы и на эти вопросы. Мы же не должны забывать, что любая научная истина является истиной относительной и может быть в любое время пересмотрена.

Сотворение вещества

Радиационная эра в развитии Вселенной – чрезвычайно важный период. Именно в это время начали возникать тяжелые ядра – основа химических элементов, заполняющих периодическую таблицу Д. Менделеева. Этот процесс носит название нуклеосинтеза.

Протон, самое легкое ядро, возникло через десятки секунд после рождения Вселенной. В это время температура и плотность Вселенной была достаточно высокой для осуществления синтеза дейтерия – ядра, состоящего из двух нуклонов, образовавшегося при соударении протона и нейтрона. Эта реакция синтеза сопровождалась генерацией фотонов и выделением энергии:

p + n -----> 2H + гамма + Q.

Здесь Q = 2.2 МэВ (МэВ – мегаэлектронвольт =106 эВ – единица измерения энергии) - энергия, выделяемая в этой реакции синтеза. Затем в течение очень короткого промежутка времени (около 10-15 минут) произошла цепочка реакций превращения дейтерия 2H в тритий (3H – ядро из трех нуклонов) и, наконец, дейтерий и тритий образовали гелий 3He – второй по своей значимости элемент во Вселенной. Расчеты показывают, что в этот момент его образовалось на уровне 24 процентов от всех нуклонов Вселенной. Именно такое содержание гелия мы наблюдаем и в наши дни, в условиях современной Вселенной. Заметим, что вся эта цепочка реакций синтеза происходит с большим выделением энергии. При попытках человека на Земле создать мощнейшие генераторы энергии – термоядерные реакторы и водородные бомбы именно эти реакции были взяты за основу.

Но вернемся к модели расширяющейся Вселенной. Когда возникли звезды? Предполагается, что процесс звездообразования начался 1 миллиард лет назад в результате образования неоднородностей в распределении вещества во Вселенной и гравитационного взаимодействия между отдельными его сгустками.

Последние исследования на космических телескопах действительно обнаруживают в далеких областях Вселенной повышенные концентрации вещества – их называют «газовыми» или «молекулярными облаками». Именно здесь наблюдается повышенное количество звезд. Безусловно, процесс образования звезд (по человеческим меркам) – очень медленный – сотни тысяч и миллионы лет.

Модели формирования звезд сводятся к первичному формированию так называемой «протозвезды» – сильно разогретому (до 106 К) сгустку веществ, состоящего из атомов, лишенных своих электронных оболочек – ионов, и свободных электронов. Вещество протозвезды сжимается – коллапсирует, температура ее повышается вследствие осаждения вещества из окружающего пространства - аккреции, и внутри нее начинают происходить реакции термоядерного синтеза.

Эти реакции развиваются при достижении массы протозвезды в 10 раз меньше массы Солнца. Этот период жизни звезды характеризуется “выгоранием” в термоядерном котле легких элементов и образованием тяжелых. В этом плане процесс формирования звезд – важный этап процесса образования - синтеза элементов во Вселенной.

При температуре протозвезды – 106 К происходят реакции горения дейтерия – 2H + 2H с образованием трития 3H. Образование дейтерия приводит к увеличению размера протозвезды. Температура ее начинает расти из-за гравитационного сжатия, и возникают условия для последовательного сгорания вещества, начиная с водорода и кончая кремнием и железом. Водород в этой топке горит дольше всех других элементов. Звезда расходует на эту фазу энергию, но она не тускнеет, а сжимается, т.к. энергии горения не хватает на преодоление гравитационного сжатия.

Затем во внешней оболочке звезды гелий переходит в углерод, кислород и азот. Этот период времени занимает несколько миллионов лет, уменьшаясь по мере смещения процесса термоядерного синтеза к более тяжелым элементам. Менее 1% общей массы звезды превращается в энергию.

Число фаз горения зависит от первоначальной массы звезды. Если она больше 8 масс Солнца, то произойдут все фазы горения вплоть до железа. Синтез новых элементов в термоядерном котле заканчивается на железе – оно не вступает в дальнейшие превращения.

Последовательная цепочка ядерных превращений в чреве звезды сопровождается увеличением ее температуры. Масса звезды растет – возникают так называемые массивные звезды – красные гиганты. Такое название они приобретают из-за преобладания красного цвета в их спектрах излучения. Размеры красного гиганта в сотни раз превышают размеры протозвезды. Красные гиганты – неустойчивые системы: они извергают во внешнее пространство свое вещество – теряют свою внешнюю оболочку.

Гипотеза образования Солнечной системы

Наша Солнечная система уникальная по своим характеристикам. В настоящее время в космосе не обнаружено ни одной планетной системы, подобной нашей. Вот почему ее изучение сталкивается с большими трудностями, чем изучение звезд и звездных скоплений, примеров которых наблюдается достаточное множество, причем, как считается, можно наблюдать звезды, находящиеся на самых различных стадиях своей эволюции.

В настоящее время исследователи склоняются к тому, что Солнечная система образовалась 4,6 млрд. лет назад из протопланетного газо-пылевого облака (туманности). Возраст Солнечной системы оценен радиометрическими методами по соотношению содержания изотопов некоторых химических элементов на Земле, на других планетах, на метеоритах в рамках теории радиоактивного распада и используя некоторые дополнительные предположения. Таким образом, Солнце и планеты имеют одинаковый возраст и сформировались из одного материала. В центре облака образовалось сгущение – протосолнце, которое медленно сжималось, в то время как периферическая часть облака вращалась вокруг центрального тела. В результате столкновения частиц вещества облако постепенно сплющивалось и разогревалось - образовался вокруг Солнца газо-пылевой диск, в котором протекал процесс роста размеров частиц вещества (пылинок). Предполагается, что магнитное поле диска могло передать значительный момент количества движения от центра к периферии. Этим и объясняется тот факт, что подавляющая доля вращательного момента приходится на планеты, в то время как масса планет в общей массе Солнечной системы незначительна по сравнению с массой Солнца. Излучение молодого Солнца выбросило на периферию газо-пылевого диска легкие элементы, такие как водород и гелий. Поэтому ближе к Солнцу диск содержал больше тяжелых и твердых веществ, из которых позднее составились планеты земной группы, а на периферии больше было легких элементов, из которых позднее сформировались планеты-гиганты. Когда параметры, в первую очередь, плотность пылевого слоя диска, достигли критического значения, в туманности возникла гравитационная неустойчивость, и образовались кольца, которые распадались на отдельные сгущения вещества - планетезимали. Образование планетезималей из пылевого вещества длилось 10^4-10^6 лет. Планетезимали постепенно приобрели близкие к круговым орбиты, и становились зародышами будущих планет. Скорость роста планетезималей до размеров планет за счет аккреции вещества туманности и столкновения с другими планетезималями была тем выше, чем больший размер и массу имели планетезимали.

Предполагается, что формирование Земли длилось порядка 10^8 лет. Формирование планет-гигантов – Юпитера и Сатурна длилось дольше. Скорость вращения планет вокруг своей оси и направление этого вращения устанавливались как суммарный результат объединения нескольких планетезималей и выпадения на планеты сгустков твердого вещества во время планетного формирования. Своим притяжением планеты, особенно планеты-гиганты, выбрасывали на периферию газо-пылевого облака частицы пыли и планетезимали, что привело к образованию вокруг Солнечной системы облака комет. Мощное приливное воздействие Юпитера помешало формированию планеты между орбитами Марса и Юпитера, где сейчас наблюдается пояс астероидов. Согласно другим предположениям, пояс астероидов - это разорвавшаяся планета Солнечной системы.

Выпадение на Землю допланетных тел, а также сжатие планеты привели к постепенному разогреву ее недр. Определенный вклад в процесс разогрева внес радиоактивный распад изотопов урана, тория, калия и других элементов. Частичное плавление земных недр привело к процессам гравитационной дифференциации вещества – легкие химические элементы и их соединения поднимались вверх, а тяжелые опускались вниз. Так формировались ядро, мантия и кора нашей планеты. Молодая Земля, как предполагается, была окружена мощной атмосферой из водорода, метана, аммиака и паров воды, захваченных из протопланетного облака, а также появившихся благодаря процессам дегазации и дефлюидизации недр. Согласно другим предположениям, атмосфера Земли состояла из азота, углекислого газа и водяных паров. Земля могла быть сильно разогрета до полного плавления, а могла быть первоначально достаточно холодной. В этом вопросе нет единого мнения. При определенных температурных условиях на поверхности Земли сконденсировались водяные пары, и образовался первобытный океан, разделенный вулканическими островами. Предполагается, что приблизительно 3,9-3,5 млрд. лет назад на Земле возникла первая жизнь - примитивные анаэробные одноклеточные организмы, подобные современным бактериям.

В настоящее время нет согласия по вопросу о происхождении Луны. Предполагается, что Луна могла сформироваться одновременно с Землей из множества небольших спутников протоземли на расстоянии от нее порядка десятка земных радиусов. В результате действия приливных сил расстояние от Земли до Луны стало увеличиваться, а скорость вращения Земли вокруг своей оси уменьшаться. По другой распространенной версии Луна образовалась в результате катастрофы – касательного столкновения с древней Землей крупного небесного тела размером с планету Марс. Выброшенное ударом силикатное вещество мантии Земли постепенно образовало Луну.

Подводя итог, можно сказать, что учение о происхождении Солнечной системы и нашей планеты Земля еще находится на стадии гипотезы и будет не только постепенно уточняться, но не исключено, что оно будет кардинально пересматриваться.

Краткая история развития Вселенной
Время	Температура	Состояние Вселенной
10-45- 10-37сек	Более 1026K	Инфляционное расширение
10-6сек	Более 1013K	Появление кварков и электронов
10-5cек		Образование протонов и нейтронов
10-4сек - 3 мин		Возникновение ядер дейтерия, гелия и лития
400 тыс. лет		Образование атомов
15 млн. лет		Продолжение расширения газового облака
1 млрд. лет		Зарождение первых звезд и галактик
3 млрд. лет		Образование тяжелых ядер при взрывах звезд
10 - 15 млрд. лет		Появление планет и разумной жизни
1014лет		Прекращение процесса рождения звезд
1037лет		Истощение энергии всех звезд
1040лет		Испарение черных дыр и рождение элементарных частиц
10100лет		Завершение испарения всех черных дыр

Лишь несколько процентов (около 4 %) состава Вселенной относится к тому, из чего, как мы полагаем, образован наш мир. Это – барионная материя. Все остальное, а это практически 96% - темная материя и темная энергия – пока малопонятные для нас материальные субстанции Вселенной. Мы знаем, что они определенно существуют. Но мы не знаем, что это такое. Мы только строим гипотезы и пытаемся поставить эксперименты, в надежде доказать их справедливость. Но факт остается – у нас пока нет аргументов в пользу окончательного выбора гипотезы, объясняющей состав темного вещества и темной энергии во Вселенной.

Рис. Структура материи во Вселенной. Вклад барионной материи – не более 5%. Остальное приходится на так называемую небарионную «темную материю» и «темную энергию», природа которых – неизвестна.

Темная энергия, согласно современным воззрениям, – это как раз та сила, которая заставляет Вселенную расширяться. Если привычная нам гравитация заставляет тела притягиваться друг к другу, то темная энергия – скорее антигравитация, способствующая разлету тел во Вселенной. По-видимому, сразу после Большого взрыва расширение Вселенной происходило с замедлением, но после этого «темная энергия» преодолела гравитацию и вновь началось ускорение – расширение Вселенной. Это - не гипотеза, a экспериментальный факт, обнаруженный из излучения красного смещения - уменьшения яркости далеких сверхновых звезд: они ярче, чем им следовало бы быть из картины замедления расширения Вселенной. Эффект «красного смещения» – регистрируемое наблюдателем увеличение длины волны спектра наблюдаемого источника (именно поэтому звезды кажутся ярче) – одно из замечательных экспериментальных астрономических фактов. Космологическое «красное смещение» наблюдаемых галактик было предсказано А. Эйнштейном и является по сей день одним из убедительных доказательств расширяющейся Вселенной.

Окунаясь в эпоху ранней космологии, можно вспомнить, что именно великий А. Эйнштейн, стараясь сохранить статичность Вселенной, ввел, ставшей исторической, космологическую константу lambda- уравновешивающую силы притяжения небесных тел. Но вслед за открытием «красного смещения» он вычеркнул константу lambda из своих уравнений. Видимо, А. Эйнштейн был неправ, отказавшись от нее: Ведь lambda – это есть та темная энергия, которая интригует современных астрофизиков.

Не ясно, повезло или нет человечеству, но оно живет в период развития Вселенной, когда темная энергия преобладает, способствуя расширению. Но этот процесс, вероятно, не вечен и через временной отрезок, сопоставимый с возрастом Вселенной (10-20 миллиардов лет) история может повернуть вспять – наш мир начнет сжиматься. Наступит или нет момент Большого Схлопывания – альтернативы Большого взрыва, безусловно, большой вопрос современной космологии.

Ученые сумели доказать существование расширяющейся Вселенной – это красное смещение оптического излучения Галактики и реликтовое электромагнитное излучение – реликтовые фотоны, о которые пойдет речь ниже. Возможно, ученым удастся в будущем установить и существование “предвестников” надвигающегося сжатия Вселенной.

Другой экспериментальный факт – изучение отклонения света от далеких галактик в гравитационных полях Вселенной привел астрофизиков к выводу о существовании скрытой – темной материи – где-то вблизи нас. Именно эта темная материя изменяет траектории световых лучей на большую величину, чем это следовало ожидать в присутствии лишь видимых близлежащих галактик. Ученые изучили распределение на звездном небе более 50000 галактик в попытке построить пространственную модель структуры темной материи. Все полученные результаты неумолимо свидетельствуют в пользу ее существования, причем Вселенная – это в основном и есть темная материя. Современные оценки говорят о величине около 80%. Здесь мы вновь повторим – нам неизвестно, из каких частиц состоит эта темная материи. Ученые лишь предполагают, что она состоит из двух частей: пока неизвестных каких-то экзотических массивных частиц и физического вакуума.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

ПЛАН

ВВЕДЕНИЕ

I. Структурные уровни организации материи: микро-, макро,- мегамиры

1.1 Современный взгляд на структурную организацию материи

II. Структура и ее роль в организации живых систем

2.1 Система и целое

2.2 Часть и элемент

2.3 Взаимодействие части и целого

III. Атом, человек, Вселенная - длинная цепь усложнений

ЗАКЛЮЧЕНИЕСПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Все объекты природы (живой и неживой природы)можно представить в виде системы, обладающими особенностями, характеризующими их уровней организации. Концепция структурных уровней живой материи включает представления системности и связанной с ней организацией целостности живых организмов. Живая материя дискретна, т.е. делится на составные части более низкой организации, имеющие определенные функции. Структурные уровни различаются не только классами сложности, но и по закономерности функционирования. Иерархическая структура такова, что каждый высший уровень не управляет, а включает низший. Диаграмма наиболее точно отражает целостную картину природы и уровень развития естествознания в целом. С учетом уровня организации можно рассматривать иерархию структур организации материальных объектов живой и неживой природы. Такая иерархия структур начинается с элементарных частиц и заканчивается живыми сообществами. Концепция структурных уровней впервые была предложена в 20-х г.г. нашего столетия. В соответствии с ней структурные уровни различаются не только по классам сложностью, но по закономерностям функционирования. Концепция включает в себя иерархию структурных уровней, в которой каждый следующий уровень входит в предыдущий.

Цель данной работы заключается в изучении концепции структурной организации материи.

I. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ:МИКРО-, МАКРО -, МЕГАМИРЫ

В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета и т.д. может быть рассмотрен как система - сложное образование, включающее составные части, элементы и связи между ними. Элемент в данном случае означает минимальную, далее неделимую часть данной системы.

Совокупность связей между элементами образует структуру системы, устойчивые связи определяют упорядоченность системы. Связи по горизонтали - координирующие, обеспечивают корреляцию (согласованность) системы, ни одна часть системы не может измениться без изменения других частей. Связи по вертикали - связи субординации, одни элементы системы подчиняются другим. Система обладает признаком целостности - это означает, что все ее составные части, соединяясь в целое, образуют качество, не сводимое к качествам отдельных элементов. Согласно современным научным взглядам все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы.

В самом общем смысле слова «система» обозначает любой предмет или любое явление окружающего нас мира и представляет собой взаимосвязь и взаимодействие частей (элементов) в рамках целого. Структура - это внутренняя организация системы, которая способствует связи ее элементов в единое целое и придает ей неповторимые особенности. Структура определяет упорядоченность элементов объекта. Элементами являются любые явления, процессы, а также любые свойства и отношения, находящиеся в какой-либо взаимной связи и соотношении друг с другом.

В понимании структурной организации материи большую роль играет понятие «развитие». Понятие развития неживой и живой природы рассматривается как необратимое направленное изменение структуры объектов природы, поскольку структура выражает уровень организации материи. Важнейшее свойство структуры - ее относительная устойчивость. Структура - это общий, качественно определенный и относительно устойчивый порядок внутренних отношений между подсистемами той или иной системы. Понятие "уровень организации" в отличие от понятия "структура" включает представление о смене структур и ее последовательности в ходе исторического развития системы с момента ее возникновения. В то время как изменение структуры может быть случайным и не всегда имеет направленный характер, изменение уровня организации происходит необходимым образом.

Системы, достигшие соответствующего уровня организации и имеющие определенную структуру, приобретают способность использовать информацию для того, чтобы посредством управления сохранить неизменным (или повышать) свой уровень организации и способствовать постоянству (или уменьшению) своей энтропии (энтропия - мера беспорядка). До недавнего времени естествознание, и другие науки могли обходиться без целостного, системного подхода к своим объектам изучения, без учета исследования процессов образования устойчивых структур и самоорганизации.

В настоящее время проблемы самоорганизации, изучаемые в синергетике, приобретают актуальный характер во многих науках, начиная от физики и кончая экологией.

Задача синергетики - выяснение законов построения организации, возникновения упорядоченности. В отличие от кибернетики здесь акцент делается не на процессах управления и обмена информацией, а на принципах построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения (Г.Хакен). Вопрос об оптимальной упорядоченности и организации особенно остро стоит при исследованиях глобальных проблем - энергетических, экологических, многих других, требующих привлечения огромных ресурсов.

1.1 СОВРЕМЕННЫЕ ВЗГЛЯДЫ НА СТРУКТУРНУЮ ОРГАНИЗАЦИЮ МАТЕРИИ

В классическом естествознании учение о принципах структурной организации материи было представлено классическим атомизмом. Идеи атомизма служили фундаментом для синтеза всех знаний о природе. В XX веке классический атомизм подвергся радикальным преобразованиям.

Современные принципы структурной организации материи связаны с развитием системных представлений и включают некоторые концептуальные знания о системе и ее признаках, характеризующих состояния системы, ее поведение, организацию и самоорганизацию, взаимодействие с окружением, целенаправленность и предсказуемость поведения и др. свойства.

Наиболее простой классификацией систем является деление их на статические и динамические, которое, несмотря на его удобство все же условно, т.к. все в мире находится в постоянном изменении. Динамические системы делят на детерминистские и стохастические (вероятностные). Эта классификация основана на характере предсказания динамики поведения систем. Такие системы исследуются в механике и астрономии. В отличие от них стохастические системы, которые обычно называют вероятностно - статистическими, имеют дело с массовыми или повторяющимися случайными событиями и явлениями. Поэтому предсказания в них имеют не достоверный, а лишь вероятностный характер.

По характеру взаимодействия с окружающей средой различают системы открытые и закрытые (изолированные), а иногда выделяют также частично открытые системы. Такая классификация носит в основном условный характер, т.к. представление о закрытых системах возникло в классической термодинамике как определенная абстракция. Подавляющее большинство, если не все системы, являются открытыми.

Многие сложноорганизованные системы, встречающиеся в социальном мире, являются целенаправленными, т.е. ориентированными на достижение одной или нескольких целей, причем в разных подсистемах и на разных уровнях организации эти цели могут быть различными и даже придти в конфликт друг с другом.

Классификация и изучение систем позволили выработать новый метод познания, который получил название системного подхода. Применение системных идей к анализу экономических и социальных процессов способствовало возникновению теории игр и теории принятия решений. Самым значительным шагом в развитии системного метода было появление кибернетики как общей теории управления в технических системах, живых организмах и обществе. Хотя отдельные теории управления существовали и до кибернетики, создание единого междисциплинарного подхода дало возможность раскрыть более глубокие и общие закономерности управления как процесса накопления, передачи и преобразования информации. Само же управление осуществляется с помощью алгоритмов, для обработки которых служат компьютеры.

Универсальная теория систем, обусловившая фундаментальную роль системного метода, выражает с одной стороны, единство материального мира, а с другой стороны, единство научного знания. Важным следствием такого рассмотрения материальных процессов стало ограничение роли редукции в познании систем. Стало ясно, что чем больше одни процессы отличаются от других, чем они качественно разнороднее, тем труднее поддаются редукции. Поэтому закономерности более сложных систем нельзя полностью сводить к законам низших форм или более простых систем. Как антипод редукционистского подхода возникает холистический подход (от греч. holos - целый), согласно которому целое всегда предшествует частям и всегда важнее частей.

Всякая система есть целое, образованное взаимосвязанными и взаимодействующими его частями. Поэтому процесс познания природных и социальных систем может быть успешным только тогда, когда в них части и целое будут изучаться не в противопоставлении, а во взаимодействии друг с другом.

Современная наука рассматривает системы как сложные, открытые, обладающие множеством возможностей новых путей развития. Процессы развития и функционирования сложной системы имеют характер самоорганизации, т.е. возникновения внутренне согласованного функционирования за счет внутренних связей и связей с внешней средой. Самоорганизация - это естественнонаучное выражение процесса самодвижения материи. Способностью к самоорганизации обладают системы живой и неживой природы, а также искусственные системы.

В современной научно обоснованной концепции системной организации материи обычно выделяют три структурных уровня материи:

микромир - мир атомов и элементарных частиц - предельно малых непосредственно ненаблюдаемых объектов, размерность от 10-8 см до 10-16 см, а время жизни - от бесконечности до 10-24 с.

макромир - мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин: земных расстояний и скоростей, масс и объемов; размерность макрообъектов соотносима с масштабами человеческого опыта - пространственные величины от долей миллиметра до километров и временные измерения от долей секунды до лет.

мегамир - мир космоса (планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики); мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние измеряется световыми годами, а время миллионами и миллиардами лет;

Изучение иерархии структурных уровней природы связано с решением сложнейшей проблемы определения границ этой иерархии как в мегамире, так и в микромире. Объекты каждой последующей ступени возникают и развиваются в результате объединения и дифференциации определенных множеств объектов предыдущей ступени. Системы становятся все более многоуровневыми. Сложность системы возрастает не только потому, что возрастает число уровней. Существенное значение приобретает развитие новых взаимосвязей между уровнями и со средой, общей для таких объектов и их объединений.

Микромир, будучи подуровнем макромиров и мегамиров, обладает совершенно уникальными особенностями и поэтому не может быть описан теориями, имеющими отношение к другим уровням природы. В частности, этот мир изначально парадоксален. Для него не применим принцип «состоит из». Так, при соударении двух элементарных частиц никаких меньших частиц не образуется. После столкновения двух протонов возникает много других элементарных частиц - в том числе протонов, мезонов, гиперонов. Феномен «множественного рождения» частиц объяснил Гейзенберг: при соударении большая кинетическая энергия превращается в вещество, и мы наблюдаем множественное рождение частиц. Микромир активно изучается. Если 50 лет назад было известно всего лишь 3 типа элементарных частиц (электрон и протон как мельчайшие частицы вещества и фотон как минимальная порция энергии), то сейчас открыто около 400 частиц. Второе парадоксальное свойство микромира связано с двойственной природой микрочастицы, которая одновременно является волной и корпускулой. Поэтому ее невозможно строго однозначно локализовать в пространстве и времени. Эта особенность отражена в принципе соотношения неопределенностей Гейзенберга.

Наблюдаемые человеком уровни организации материи осваиваются с учетом естественных условий обитания людей, т.е. с учетом наших земных закономерностей. Однако это не исключает предположения о том, что на достаточно удаленных от нас уровнях могут существовать формы и состояния материи, характеризующиеся совсем другими свойствами. В связи с этим ученые стали выделять геоцентрические и негеоцентрические материальные системы.

Геоцентрический мир - эталонный и базисный мир ньютонова времени и эвклидова пространства, описывается совокупностью теорий, относящихся к объектам земного масштаба. Негеоцентрические системы - особый тип объективной реальности, характеризующийся иными типами атрибутов, иным пространством, временем, движением, нежели земные. Существует предположение о том, что микромир и мегамир - это окна в негеоцентрические миры, а значит, их закономерности хотя бы в отдаленной степени позволяют представить иной тип взаимодействий, чем в макромире или геоцентрическом типе реальности.

Между мегамиром и макромиром нет строгой границы. Обычно полагают, что он

начинается с расстояний около 107 и масс 1020 кг. Опорной точкой начала мегамира может служить Земля (диаметр 1,28×10+7 м, масса 6×1021 кг). Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для их измерения вводят специальные единицы: астрономическая единица, световой год и парсек.

Астрономическая единица (а.е.) - среднее расстояние от Земли до Солнца, равное 1,5×1011м.

Световой год - расстояние, которое проходит свет в течение одного года, а именно 9,46×1015м.

Парсек (параллакс-секунда) - расстояние, на котором годичный параллакс земной орбиты (т.е. угол, под которым видна большая полуось земной орбиты, расположенная перпендикулярно лучу зрения) равен одной секунде. Это расстояние равно 206265 а.е. = 3,08×1016 м = 3,26 св. г.

Небесные тела во Вселенной образуют системы различной сложности. Так Солнце и движущиеся вокруг него 9 планет образуют Солнечную систему. Основная часть звезд нашей галактики сосредоточена в диске, видимом с Земли «сбоку» в виде туманной полосы, пересекающей небесную сферу - Млечного Пути.

Все небесные тела имеют свою историю развития. Возраст Вселенной равен 14 млрд. лет. Возраст Солнечной системы оценивается в 5 млрд. лет, Земли - 4,5 млрд. лет.

Еще одна типология материальных систем имеет сегодня достаточно широкое распространение. Это деление природы на неорганическую и органическую, в которой особое место занимает социальная форма материи. Неорганическая материя - это элементарные частицы и поля, атомные ядра, атомы, молекулы, макроскопические тела, геологические образования. Органическая материя также имеет многоуровневую структуру: доклеточный уровень - ДНК, РНК, нуклеиновые кислоты; клеточный уровень - самостоятельно существующие одноклеточные организмы; многоклеточный уровень - ткани, органы, функциональные системы (нервная, кровеносная и др.), организмы (растения, животные); надорганизменные структуры - популяции, биоценозы, биосфера. Социальная материя существует лишь благодаря деятельности людей и включает особые подструктуры: индивид, семья, группа, коллектив, государство, нация и др.

II. СТРУКТУРА И ЕЕ РОЛЬ В ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ

2.1 СИСТЕМА И ЦЕЛОЕ

Система — это комплекс элементов, находящихся во взаимодействии. В переводе с греческого это целое, составленное из частей, соединение.

Претерпев длительную историческую эволюцию, понятие система с середины XX в. становится одним из ключевых научных понятий.

Первичные представления о системе возникли в античной философии как упорядоченность и ценность бытия. Понятие система сейчас имеет чрезвычайно широкую область применения: практически каждый объект может быть рассмотрен как система.

Каждая система характеризуется не только наличием связей и отношений между образующими ее элементами, но и неразрывным единством с окружающей средой.

Можно выделить различные типы систем:

По характеру связи между частями и целым — неорганические и органические;

По формам движения материи — механические, физические, химические, физико-химические;

По отношению к движению — статистические и динамические;

По видам изменений — нефункциональные, функциональные, развивающиеся;

По характеру обмена со средой — открытые и закрытые;

По степени организации — простые и сложные;

По уровню развития — низшие и высшие;

По характеру происхождения — естественные, искусственные, смешанные;

По направлению развития — прогрессивные и регрессивные.

Согласно одному из определений, целое — это то, у чего не отсутствует ни одна из частей, состоя из которых, оно именуется целым. Целое обязательно предполагает системную организованность его компонентов.

Понятие целого отражает гармоническое единство и взаимодействие частей по определенной упорядоченной системе.

Родственность понятий целого и системы послужило основанием для не совсем верного их полного отождествления. В случае системы мы имеем дело не с отдельным объектом, а с группой взаимодействующих объектов, взаимно влияющих друг на друга. По мере дальнейшего совершенствования системы в сторону упорядоченности ее компонентов, она может перейти в целостность. Понятие целого характеризует не только множественность составляющих компонентов, но и то, что связь и взаимодействие частей являются закономерными, возникающими из внутренних потребностей развития частей и целого.

Поэтому целое есть особого рода система. Понятие целого является отражением внутренне необходимого, органического характера взаимосвязи компонентов системы, причем, иногда изменение одного из компонентов с неизбежностью вызывает то или иное изменение в другом, а нередко и всей системы.

Свойства и механизм целого как более высокого уровня организации по сравнению с организующими его частями не могут быть объяснены только через суммирование свойств и моментов действия этих частей, рассматриваемых изолированно друг от друга. Новые свойства целого возникают в результате взаимодействия его частей, поэтому, чтобы знать целое, надо наряду со знанием особенностей частей знать закон организации целого, т.е. закон объединения частей.

Поскольку целое как качественная определенность является результатом взаимодействия его компонентов, необходимо остановиться на их характеристике. Являясь составляющими системы или целого, компоненты вступают в различные отношения между собой. Отношения между элементами могут быть разделены на «элемент — структура» и «часть — целое». В системе целого наблюдается подчиненность частей целому. Система целого характерна тем, что она может создать недостающие ей органы.

2.2 ЧАСТЬ И ЭЛЕМЕНТ

Элемент — это такой компонент предмета, который может быть безразличен к специфике предмета. В категории структуры могут найти отношение связи и отношения между элементами, безразличными к его специфике.

Часть — это тоже составной компонент предмета, но, в отличие от элемента, часть — это компонент, который не безразличен к специфике предмета как целого (например, стол состоит из частей — крышки и ножек, а также элементов — скрепляющих части шурупов, болтов, которые можно применять для крепления других предметов: шкафов, тумб и т.д.)

Живой организм как целое состоит из многих компонентов. Одни из них будут просто элементами, другие в то же время и частями. Частями являются лишь такие компоненты, которым присущи функции жизни (обмен веществ и т.д.): внеклеточное живое вещество; клетка; ткань; орган; система органов.

Всем им присущи функции живого, все они выполняют свои специфические функции в системе организации целого. Поэтому часть — это такой компонент целого, функционирование которого определено природой, сущностью самого целого.

Кроме частей в организме имеются и другие компоненты, которые сами по себе не обладают функциями жизни, т.е. являются неживыми компонентами. Это элементы. Неживые элементы имеются на всех уровнях системной организации живой материи:

В протоплазме клетки — зерна крахмала, капли жира, кристаллы;

В многоклеточном организме к числу неживых компонентов, не обладающих собственным обменом веществ и способностью к самовоспроизведению, относятся волосы, когти, рога, копыта, перья.

Таким образом, часть и элемент составляют необходимые компоненты организации живого как целостной системы. Без элементов (неживых компонентов) невозможно функционирование частей (живых компонентов). Поэтому только совокупное единство и элементов и частей, т.е. неживых и живых компонентов, составляет системную организацию жизни, ее целостность.

2.2.1 СООТНОШЕНИЕ КАТЕГОРИЙ ЧАСТЬ И ЭЛЕМЕНТ

Соотношение категорий часть и элемент весьма противоречиво. Содержание категории часть отличается от категории элемент: элементами являются все составные компоненты целого, независимо от того, выражается в них специфика целого или нет, а частями являются лишь те элементы, в которых непосредственно выражена специфика предмета как целого, поэтому категория части уже категории элемента. С другой стороны содержание категории части шире категории элемента, так как лишь определенная совокупность элементов составляет часть. И это можно показать применительно к любому целому.

Значит, существуют определенные уровни или границы в структурной организации целого, которые отделяют элементы от частей. В то же время различие между категориями часть и элемент являются весьма относительными, так как они могут взаимопревращаться, например, органы или клетки, функционируя, подвергаются разрушению, значит, из частей превращаются в элементы и наоборот, они снова строятся из неживого, т.е. элементов, и становятся частями. Элементы, не выведенные из организма, могут превращаться в солевые отложения, которые уже являются частью организма, причем довольно нежелательной.

2.3 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧАСТИ И ЦЕЛОГО

Взаимодействие части и целого состоит в том, что одно предполагает другое, они едины и друг без друга существовать не могут. Не бывает целого без части и наоборот: нет частей вне целого. Часть становится частью лишь в системе целого. Часть приобретает свой смысл только благодаря целому, так же как и целое есть взаимодействие частей.

Во взаимодействии части и целого ведущая, определяющая роль принадлежит целому. Части организма не могут самостоятельно существовать. Представляя собой частные приспособительные структуры организма, части возникают в ходе развития эволюции ради целого организма.

Определяющую роль целого по отношению к частям в органической природе как нельзя лучше подтверждают явления автотомии и регенерации. Ящерица, схваченная за хвост, убегает, оставив кончик хвоста. То же самое происходит с клешнями крабов, раков. Автотомия, т.е. самоотсечение хвоста у ящерицы, клешней у крабов и раков, является защитной функцией, способствующей приспособлению организма, выработавшейся в эволюционном процессе. Организм жертвует своей частью в интересах спасения и сохранения целого.

Явление автотомии наблюдается в тех случаях, когда организм способен восстановить утраченную часть. Недостающая часть хвоста у ящерицы вырастает заново (но, правда, один раз). У крабов и раков тоже часто вырастают отломанные клешни. Значит, организм способен сначала потерять часть ради спасения целого, с тем чтобы потом эту часть восстановить.

Явление регенерации еще больше свидетельствует о подчиненности частей целому: целое обязательно требует выполнения в той или иной мере утраченных частей. Современная биология установила, что регенерационной способностью обладают не только низкоорганизованные существа (растения и простейшие), но и млекопитающие.

Существует несколько видов регенерации: восстанавливаются не только отдельные органы, но и целые организмы из отдельных его участков (гидра из кольца, вырезанного из середины ее тела, простейшие, коралловые полипы, кольчатые черви, морские звезды и т.д.). В русском фольклоре нам известен Змей-Горыныч, у которого добры-молодцы отрубали головы, тут же снова выраставшие... В общебиологическом плане регенерация может рассматриваться как способность взрослого организма к развитию.

Однако определяющая роль целого по отношению к частям не означает, что части лишены своей специфики. Определяющая роль целого предполагает не пассивную, а активную роль частей, направленную на обеспечение нормальной жизни организма как целого. Подчиняясь в общем системе целого, части сохраняют относительную самостоятельность и автономность. С одной стороны, части выступают как компоненты целого, а с другой — они сами являются своеобразными целостными структурами, системами со своими специфическими функциями и структурами. В многоклеточном организме из всех частей именно клетки представляют наиболее высокий уровень целостности и индивидуальности.

То, что части сохраняют свою относительную самостоятельность и автономность, позволяет проводить относительную самостоятельность исследования отдельных систем органов: спинного мозга, вегетативной нервной системы, систем пищеварения и т.д., что имеет большое значение для практики. Пример тому — исследование и раскрытие внутренних причин и механизмов относительной самостоятельности злокачественных опухолей.

Относительная самостоятельность частей в большей мере, чем животным, присуща растениям. Им свойственно образование одних частей из других — вегетативное размножение. Каждому, наверное, в своей жизни приходилось видеть привитые, например, на яблоне черенки других растений.

3. АТОМ, ЧЕЛОВЕК, ВСЕЛЕННАЯ - ДЛИННАЯ ЦЕПЬ УСЛОЖНЕНИЙ

В современной науке широко используется метод структурного анализа, при котором учитывается системность исследуемого объекта. Ведь структурность - 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.

Каждая из сфер объективной действительности включает в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Внутри этих уровней доминирующими являются координационные отношения, а между уровнями - субординационные.

Системное исследование материальных объектов предполагает не только установление способов описания отношений, связей и структуры множества элементов, но и выделения тех из них, которые являются системообразующими, т. е. обеспечивают обособленное функционирование и развитие системы. Системный подход к материальным образованиям предполагает возможность понимания рассматриваемой системы более высокого уровня. Для системы обычно характерна иерархичность строения, т. е. последовательное включение системы более низкого уровня в систему более высокого уровня. Таким образом, в структуру материи на уровне неживой природы (неорганической) входят элементарные частицы, атомы, молекулы (объекты микромира, макротела и объекты мегамира: планеты, галактики, системы метагалактик и т. д.). Метагалактику часто отождествляют со всей Вселенной, но Вселенная понимается в предельно широком смысле этого слова, она тождественна всему материальному миру и движущейся материи, которая может включать в себя множество метагалактик и других космических систем.

Живая природа также структурирована. В ней выделены уровень биологический и уровень социальный. Биологический уровень включает подуровни:

Макромолекул (нуклеиновые кислоты, ДНК, РНК, белки);

Клеточный уровень;

Микроорганический (одноклеточные организмы);

Органов и тканей организма в целом;

Популяционный;

Биоценозный;

Биосферный.

Основными понятиями данного уровня на последних трех подуровнях являются понятия биотоп, биоценоз, биосфера, требующие пояснения.

Биотоп - совокупность (сообщество) одного и того же вида (например, стая волков), которые могут скрещиваться и производить себе подобных (популяции).

Биоценоз - совокупность популяций организмов, при которых продукты жизнедеятельности одних являются условиями существование других организмов, населяющих участок суши или воды.

Биосфера - глобальная система жизни, та часть географической среды (нижняя часть атмосферы, верхняя часть литосферы и гидросферы), которая является средой обитания живых организмов, обеспечивая необходимые для их выживания условия (температуру, почву и т. п.), образованная в результате взаимодействия биоценозов.

Общая основа жизни на биологическом уровне - органический метаболизм (обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой) проявляется на любом из выделенных подуровней:

На уровне организмов обмен веществ означает ассимиляцию и диссимиляцию при посредстве внутриклеточных превращений;

На уровне экосистем (биоценоза) он состоит из цепи превращения вещества, первоначально ассимилированного организмами производителями при посредстве организмов-потребителей и организмов-разрушителей, относящихся к разным видам;

На уровне биосферы происходит глобальный круговорот вещества и энергии при непосредственном участии факторов космического масштаба.

На определенном этапе развития биосферы возникают особые популяции живых существ, которые благодаря своей способности к труду образовали своеобразный уровень - социальный. Социальная деятельность в структурном аспекте разделяется на подуровни: индивидов, семьи, различных коллективов (производственных), социальных групп и т. д.

Структурный уровень социальной деятельности находится в неоднозначно-линейных связях между собой (например, уровень наций и уровень государств). Переплетение разных уровней в рамках общества порождает представление о господстве случайности и хаотичности в социальной деятельности. Но внимательный анализ обнаруживает наличие в нем фундаментальных структур - главных сфер общественной жизни, которыми являются материально-производственная, социальная, политическая, духовная сферы, имеющие свои законы и структуры. Все они в определенном смысле субординированы в составе общественно-экономической формации, глубоко структурированы и обуславливают генетическое единство общественного развития в целом. Таким образом, любая из трех областей материальной действительности образуется из ряда специфических структурных уровней, которые находятся в строгой упорядоченности в составе той или иной области действительности. Переход от одной области к другой связан с усложнением и увеличением множества образованных факторов, обеспечивающих целостность систем. Внутри каждого из структурных уровней существуют отношения субординации (молекулярный уровень включает атомарный, а не наоборот). Закономерности новых уровней несводимы к закономерностям уровней, на базе которых они возникали, и являются ведущими для данного уровня организации материи. Структурная организация, т.е. системность, является способом существования материи.

Заключение

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 организации материи строятся по принципу пирамиды: высшие уровни состоят из многочисленного числа низших уровней. Низшие уровни являются основой существования материи. Без этих уровней невозможно дальнейшее построение «пирамиды материи». Высшие (сложные) уровни образуются путём эволюции - постепенно переходя от простого к сложному. Структурные уровни материи образованы из определенного множества объектов какого-либо вида и характеризуются особым способом взаимодействия между составляющими их элементами.

Все объекты живой и неживой природы можно представить в виде определенных систем, обладающих конкретными особенностями и свойствами, характеризующими их уровень организации. С учетом уровня организации можно рассматривать иерархию структур организации материальных объектов живой и неживой природы. Такая иерархия структур начинается с элементарных частиц, представляющих собой первоначальный уровень организации материи, и заканчивается живыми организациями и сообществами — высшими уровнями организации.

Концепция структурных уровней живой материи включает представления системности и связанной с ней органической целостности живых организмов. Однако история теории систем начиналась с механистического понимания организации живой материи, в соответствии с которым все высшее сводилось к низшему: процессы жизнедеятельности — к совокупности физико-химических реакций, а организация организма — к взаимодействию молекул, клеток, тканей, органов и т.п.

Список литературы

1. Данилова В.С. Основные концепции современного естествознания: Учеб. пособие для вузов. - М., 2000. - 256 с.

2. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. . Изд. 2-е,перераб. и доп. - М.;Альфа-М; ИНФРА-М, 2004. - 622 с.

3. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. - М., 2003. - 287 с.

Московская Открытая Социальная Академия

Кафедра математических и общих естественнонаучных дисциплин

Учебная дисциплина:

Концепции современного естествознания.

Тема реферата:

Структурные уровни организации материи.

Факультета заочного образование

номер группы: ФЭБ-3,6

Руководитель:

Москва 2009

ВВЕДЕНИЕ

I. Структурные уровни организации материи: микро-, макро,- мегамиры

1.1 Современный взгляд на структурную организацию материи

II. Структура и ее роль в организации живых систем

2.1 Система и целое

2.2 Часть и элемент

2.3 Взаимодействие части и целого

III. Атом, человек, Вселенная – длинная цепь усложнений

ЗАКЛЮЧЕНИЕСПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение

Все объекты природы (живой и неживой природы)можно представить в виде системы, обладающими особенностями, характеризующими их уровней организации. Концепция структурных уровней живой материи включает представления системности и связанной с ней организацией целостности живых организмов. Живая материя дискретна, т.е. делится на составные части более низкой организации, имеющие определенные функции. Структурные уровни различаются не только классами сложности, но и по закономерности функционирования. Иерархическая структура такова, что каждый высший уровень не управляет, а включает низший. Диаграмма наиболее точно отражает целостную картину природы и уровень развития естествознания в целом. С учетом уровня организации можно рассматривать иерархию структур организации материальных объектов живой и неживой природы. Такая иерархия структур начинается с элементарных частиц и заканчивается живыми сообществами. Концепция структурных уровней впервые была предложена в 20-х г.г. нашего столетия. В соответствии с ней структурные уровни различаются не только по классам сложностью, но по закономерностям функционирования. Концепция включает в себя иерархию структурных уровней, в которой каждый следующий уровень входит в предыдущий.

Цель данной работы заключается в изучении концепции структурной организации материи.

I. Структурные уровни организации материи: микро-, макрО -, мегамиры

В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета и т.д. может быть рассмотрен как система – сложное образование, включающее составные части, элементы и связи между ними. Элемент в данном случае означает минимальную, далее неделимую часть данной системы.

Совокупность связей между элементами образует структуру системы, устойчивые связи определяют упорядоченность системы. Связи по горизонтали – координирующие, обеспечивают корреляцию (согласованность) системы, ни одна часть системы не может измениться без изменения других частей. Связи по вертикали – связи субординации, одни элементы системы подчиняются другим. Система обладает признаком целостности – это означает, что все ее составные части, соединяясь в целое, образуют качество, не сводимое к качествам отдельных элементов. Согласно современным научным взглядам все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы.

В самом общем смысле слова «система» обозначает любой предмет или любое явление окружающего нас мира и представляет собой взаимосвязь и взаимодействие частей (элементов) в рамках целого. Структура - это внутренняя организация системы, которая способствует связи ее элементов в единое целое и придает ей неповторимые особенности. Структура определяет упорядоченность элементов объекта. Элементами являются любые явления, процессы, а также любые свойства и отношения, находящиеся в какой-либо взаимной связи и соотношении друг с другом.

В понимании структурной организации материи большую роль играет понятие «развитие». Понятие развития неживой и живой природы рассматривается как необратимое направленное изменение структуры объектов природы, поскольку структура выражает уровень организации материи. Важнейшее свойство структуры - ее относительная устойчивость. Структура - это общий, качественно определенный и относительно устойчивый порядок внутренних отношений между подсистемами той или иной системы. Понятие «уровень организации» в отличие от понятия «структура» включает представление о смене структур и ее последовательности в ходе исторического развития системы с момента ее возникновения. В то время как изменение структуры может быть случайным и не всегда имеет направленный характер, изменение уровня организации происходит необходимым образом.

Системы, достигшие соответствующего уровня организации и имеющие определенную структуру, приобретают способность использовать информацию для того, чтобы посредством управления сохранить неизменным (или повышать) свой уровень организации и способствовать постоянству (или уменьшению) своей энтропии (энтропия – мера беспорядка). До недавнего времени естествознание, и другие науки могли обходиться без целостного, системного подхода к своим объектам изучения, без учета исследования процессов образования устойчивых структур и самоорганизации.

В настоящее время проблемы самоорганизации, изучаемые в синергетике, приобретают актуальный характер во многих науках, начиная от физики и кончая экологией.

Задача синергетики - выяснение законов построения организации, возникновения упорядоченности. В отличие от кибернетики здесь акцент делается не на процессах управления и обмена информацией, а на принципах построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения (Г.Хакен). Вопрос об оптимальной упорядоченности и организации особенно остро стоит при исследованиях глобальных проблем - энергетических, экологических, многих других, требующих привлечения огромных ресурсов.

1.1 СОВРЕМЕННЫЕ ВЗГЛЯДЫ НА СТРУКТУРНУЮ ОРГАНИЗАЦИЮ МАТЕРИИ

В классическом естествознании учение о принципах структурной организации материи было представлено классическим атомизмом. Идеи атомизма служили фундаментом для синтеза всех знаний о природе. В XX веке классический атомизм подвергся радикальным преобразованиям.

Современные принципы структурной организации материи связаны с развитием системных представлений и включают некоторые концептуальные знания о системе и ее признаках, характеризующих состояния системы, ее поведение, организацию и самоорганизацию, взаимодействие с окружением, целенаправленность и предсказуемость поведения и др. свойства.

Наиболее простой классификацией систем является деление их на статические и динамические, которое, несмотря на его удобство все же условно, т.к. все в мире находится в постоянном изменении. Динамические системы делят на детерминистские и стохастические (вероятностные). Эта классификация основана на характере предсказания динамики поведения систем. Такие системы исследуются в механике и астрономии. В отличие от них стохастические системы, которые обычно называют вероятностно – статистическими, имеют дело с массовыми или повторяющимися случайными событиями и явлениями. Поэтому предсказания в них имеют не достоверный, а лишь вероятностный характер.

По характеру взаимодействия с окружающей средой различают системы открытые и закрытые (изолированные), а иногда выделяют также частично открытые системы. Такая классификация носит в основном условный характер, т.к. представление о закрытых системах возникло в классической термодинамике как определенная абстракция. Подавляющее большинство, если не все системы, являются открытыми.

Многие сложноорганизованные системы, встречающиеся в социальном мире, являются целенаправленными, т.е. ориентированными на достижение одной или нескольких целей, причем в разных подсистемах и на разных уровнях организации эти цели могут быть различными и даже придти в конфликт друг с другом.

Классификация и изучение систем позволили выработать новый метод познания, который получил название системного подхода. Применение системных идей к анализу экономических и социальных процессов способствовало возникновению теории игр и теории принятия решений. Самым значительным шагом в развитии системного метода было появление кибернетики как общей теории управления в технических системах, живых организмах и обществе. Хотя отдельные теории управления существовали и до кибернетики, создание единого междисциплинарного подхода дало возможность раскрыть более глубокие и общие закономерности управления как процесса накопления, передачи и преобразования информации. Само же управление осуществляется с помощью алгоритмов, для обработки которых служат компьютеры.

Универсальная теория систем, обусловившая фундаментальную роль системного метода, выражает с одной стороны, единство материального мира, а с другой стороны, единство научного знания. Важным следствием такого рассмотрения материальных процессов стало ограничение роли редукции в познании систем. Стало ясно, что чем больше одни процессы отличаются от других, чем они качественно разнороднее, тем труднее поддаются редукции. Поэтому закономерности более сложных систем нельзя полностью сводить к законам низших форм или более простых систем. Как антипод редукционистского подхода возникает холистический подход (от греч. holos – целый), согласно которому целое всегда предшествует частям и всегда важнее частей.

Всякая система есть целое, образованное взаимосвязанными и взаимодействующими его частями. Поэтому процесс познания природных и социальных систем может быть успешным только тогда, когда в них части и целое будут изучаться не в противопоставлении, а во взаимодействии друг с другом.

Современная наука рассматривает системы как сложные, открытые, обладающие множеством возможностей новых путей развития. Процессы развития и функционирования сложной системы имеют характер самоорганизации, т.е. возникновения внутренне согласованного функционирования за счет внутренних связей и связей с внешней средой. Самоорганизация – это естественнонаучное выражение процесса самодвижения материи. Способностью к самоорганизации обладают системы живой и неживой природы, а также искусственные системы.

В современной научно обоснованной концепции системной организации материи обычно выделяют три структурных уровня материи:

микромир – мир атомов и элементарных частиц – предельно малых непосредственно ненаблюдаемых объектов, размерность от 10-8 см до 10-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 с.

макромир – мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин: земных расстояний и скоростей, масс и объемов; размерность макрообъектов соотносима с масштабами человеческого опыта – пространственные величины от долей миллиметра до километров и временные измерения от долей секунды до лет.

мегамир – мир космоса (планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики); мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние измеряется световыми годами, а время миллионами и миллиардами лет;

Изучение иерархии структурных уровней природы связано с решением сложнейшей проблемы определения границ этой иерархии как в мегамире, так и в микромире. Объекты каждой последующей ступени возникают и развиваются в результате объединения и дифференциации определенных множеств объектов предыдущей ступени. Системы становятся все более многоуровневыми. Сложность системы возрастает не только потому, что возрастает число уровней. Существенное значение приобретает развитие новых взаимосвязей между уровнями и со средой, общей для таких объектов и их объединений.

Микромир, будучи подуровнем макромиров и мегамиров, обладает совершенно уникальными особенностями и поэтому не может быть описан теориями, имеющими отношение к другим уровням природы. В частности, этот мир изначально парадоксален. Для него не применим принцип «состоит из». Так, при соударении двух элементарных частиц никаких меньших частиц не образуется. После столкновения двух протонов возникает много других элементарных частиц – в том числе протонов, мезонов, гиперонов. Феномен «множественного рождения» частиц объяснил Гейзенберг: при соударении большая кинетическая энергия превращается в вещество, и мы наблюдаем множественное рождение частиц. Микромир активно изучается. Если 50 лет назад было известно всего лишь 3 типа элементарных частиц (электрон и протон как мельчайшие частицы вещества и фотон как минимальная порция энергии), то сейчас открыто около 400 частиц. Второе парадоксальное свойство микромира связано с двойственной природой микрочастицы, которая одновременно является волной и корпускулой. Поэтому ее невозможно строго однозначно локализовать в пространстве и времени. Эта особенность отражена в принципе соотношения неопределенностей Гейзенберга.

Наблюдаемые человеком уровни организации материи осваиваются с учетом естественных условий обитания людей, т.е. с учетом наших земных закономерностей. Однако это не исключает предположения о том, что на достаточно удаленных от нас уровнях могут существовать формы и состояния материи, характеризующиеся совсем другими свойствами. В связи с этим ученые стали выделять геоцентрические и негеоцентрические материальные системы.

Геоцентрический мир – эталонный и базисный мир ньютонова времени и эвклидова пространства, описывается совокупностью теорий, относящихся к объектам земного масштаба. Негеоцентрические системы – особый тип объективной реальности, характеризующийся иными типами атрибутов, иным пространством, временем, движением, нежели земные. Существует предположение о том, что микромир и мегамир – это окна в негеоцентрические миры, а значит, их закономерности хотя бы в отдаленной степени позволяют представить иной тип взаимодействий, чем в макромире или геоцентрическом типе реальности.

Между мегамиром и макромиром нет строгой границы. Обычно полагают, что он

начинается с расстояний около 107 и масс 1020 кг. Опорной точкой начала мегамира может служить Земля (диаметр 1,28×10+7 м, масса 6×1021 кг). Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для их измерения вводят специальные единицы: астрономическая единица, световой год и парсек.

Астрономическая единица (а.е.) – среднее расстояние от Земли до Солнца, равное 1,5×1011 м.

Световой год – расстояние, которое проходит свет в течение одного года, а именно 9,46×1015 м.

Парсек (параллакс-секунда) – расстояние, на котором годичный параллакс земной орбиты (т.е. угол, под которым видна большая полуось земной орбиты, расположенная перпендикулярно лучу зрения) равен одной секунде. Это расстояние равно 206265 а.е. = 3,08×1016 м = 3,26 св. г.

Небесные тела во Вселенной образуют системы различной сложности. Так Солнце и движущиеся вокруг него 9 планет образуют Солнечную систему. Основная часть звезд нашей галактики сосредоточена в диске, видимом с Земли «сбоку» в виде туманной полосы, пересекающей небесную сферу – Млечного Пути.

Все небесные тела имеют свою историю развития. Возраст Вселенной равен 14 млрд. лет. Возраст Солнечной системы оценивается в 5 млрд. лет, Земли – 4,5 млрд. лет.

Еще одна типология материальных систем имеет сегодня достаточно широкое распространение. Это деление природы на неорганическую и органическую, в которой особое место занимает социальная форма материи. Неорганическая материя – это элементарные частицы и поля, атомные ядра, атомы, молекулы, макроскопические тела, геологические образования. Органическая материя также имеет многоуровневую структуру: доклеточный уровень – ДНК, РНК, нуклеиновые кислоты; клеточный уровень – самостоятельно существующие одноклеточные организмы; многоклеточный уровень – ткани, органы, функциональные системы (нервная, кровеносная и др.), организмы (растения, животные); надорганизменные структуры – популяции, биоценозы, биосфера. Социальная материя существует лишь благодаря деятельности людей и включает особые подструктуры: индивид, семья, группа, коллектив, государство, нация и др.

II. СТРУКТУРА И ЕЕ РОЛЬ В ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ

2.1СИСТЕМА И ЦЕЛОЕ

Система - это комплекс элементов, находящихся во взаимодействии. В переводе с греческого это целое, составленное из частей, соединение.

Претерпев длительную историческую эволюцию, понятие система с середины XX в. становится одним из ключевых научных понятий.

Первичные представления о системе возникли в античной философии как упорядоченность и ценность бытия. Понятие система сейчас имеет чрезвычайно широкую область применения: практически каждый объект может быть рассмотрен как система.

Каждая система характеризуется не только наличием связей и отношений между образующими ее элементами, но и неразрывным единством с окружающей средой.

Можно выделить различные типы систем:

По характеру связи между частями и целым - неорганические и органические;

По формам движения материи - механические, физические, химические, физико-химические;

По отношению к движению - статистические и динамические;

По видам изменений - нефункциональные, функциональные, развивающиеся;

По характеру обмена со средой - открытые и закрытые;

По степени организации - простые и сложные;

По уровню развития - низшие и высшие;

По характеру происхождения - естественные, искусственные, смешанные;

По направлению развития - прогрессивные и регрессивные.

Согласно одному из определений, целое - это то, у чего не отсутствует ни одна из частей, состоя из которых, оно именуется целым. Целое обязательно предполагает системную организованность его компонентов.

Понятие целого отражает гармоническое единство и взаимодействие частей по определенной упорядоченной системе.

Родственность понятий целого и системы послужило основанием для не совсем верного их полного отождествления. В случае системы мы имеем дело не с отдельным объектом, а с группой взаимодействующих объектов, взаимно влияющих друг на друга. По мере дальнейшего совершенствования системы в сторону упорядоченности ее компонентов, она может перейти в целостность. Понятие целого характеризует не только множественность составляющих компонентов, но и то, что связь и взаимодействие частей являются закономерными, возникающими из внутренних потребностей развития частей и целого.

Поэтому целое есть особого рода система. Понятие целого является отражением внутренне необходимого, органического характера взаимосвязи компонентов системы, причем, иногда изменение одного из компонентов с неизбежностью вызывает то или иное изменение в другом, а нередко и всей системы.

Свойства и механизм целого как более высокого уровня организации по сравнению с организующими его частями не могут быть объяснены только через суммирование свойств и моментов действия этих частей, рассматриваемых изолированно друг от друга. Новые свойства целого возникают в результате взаимодействия его частей, поэтому, чтобы знать целое, надо наряду со знанием особенностей частей знать закон организации целого, т.е. закон объединения частей.

Поскольку целое как качественная определенность является результатом взаимодействия его компонентов, необходимо остановиться на их характеристике. Являясь составляющими системы или целого, компоненты вступают в различные отношения между собой. Отношения между элементами могут быть разделены на «элемент - структура» и «часть - целое». В системе целого наблюдается подчиненность частей целому. Система целого характерна тем, что она может создать недостающие ей органы.

2.2 ЧАСТЬ И ЭЛЕМЕНТ

Элемент - это такой компонент предмета, который может быть безразличен к специфике предмета. В категории структуры могут найти отношение связи и отношения между элементами, безразличными к его специфике.

Часть - это тоже составной компонент предмета, но, в отличие от элемента, часть - это компонент, который не безразличен к специфике предмета как целого (например, стол состоит из частей - крышки и ножек, а также элементов - скрепляющих части шурупов, болтов, которые можно применять для крепления других предметов: шкафов, тумб и т.д.)

Живой организм как целое состоит из многих компонентов. Одни из них будут просто элементами, другие в то же время и частями. Частями являются лишь такие компоненты, которым присущи функции жизни (обмен веществ и т.д.): внеклеточное живое вещество; клетка; ткань; орган; система органов.

Всем им присущи функции живого, все они выполняют свои специфические функции в системе организации целого. Поэтому часть - это такой компонент целого, функционирование которого определено природой, сущностью самого целого.

Кроме частей в организме имеются и другие компоненты, которые сами по себе не обладают функциями жизни, т.е. являются неживыми компонентами. Это элементы. Неживые элементы имеются на всех уровнях системной организации живой материи:

В протоплазме клетки - зерна крахмала, капли жира, кристаллы;

В многоклеточном организме к числу неживых компонентов, не обладающих собственным обменом веществ и способностью к самовоспроизведению, относятся волосы, когти, рога, копыта, перья.

Таким образом, часть и элемент составляют необходимые компоненты организации живого как целостной системы. Без элементов (неживых компонентов) невозможно функционирование частей (живых компонентов). Поэтому только совокупное единство и элементов и частей, т.е. неживых и живых компонентов, составляет системную организацию жизни, ее целостность.

2.2.1 СООТНОШЕНИЕ КАТЕГОРИЙ ЧАСТЬ И ЭЛЕМЕНТ

Соотношение категорий часть и элемент весьма противоречиво. Содержание категории часть отличается от категории элемент: элементами являются все составные компоненты целого, независимо от того, выражается в них специфика целого или нет, а частями являются лишь те элементы, в которых непосредственно выражена специфика предмета как целого, поэтому категория части уже категории элемента. С другой стороны содержание категории части шире категории элемента, так как лишь определенная совокупность элементов составляет часть. И это можно показать применительно к любому целому.

Значит, существуют определенные уровни или границы в структурной организации целого, которые отделяют элементы от частей. В то же время различие между категориями часть и элемент являются весьма относительными, так как они могут взаимопревращаться, например, органы или клетки, функционируя, подвергаются разрушению, значит, из частей превращаются в элементы и наоборот, они снова строятся из неживого, т.е. элементов, и становятся частями. Элементы, не выведенные из организма, могут превращаться в солевые отложения, которые уже являются частью организма, причем довольно нежелательной.

2.3 В ЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧАСТИ И ЦЕЛОГО

Взаимодействие части и целого состоит в том, что одно предполагает другое, они едины и друг без друга существовать не могут. Не бывает целого без части и наоборот: нет частей вне целого. Часть становится частью лишь в системе целого. Часть приобретает свой смысл только благодаря целому, так же как и целое есть взаимодействие частей.

Во взаимодействии части и целого ведущая, определяющая роль принадлежит целому. Части организма не могут самостоятельно существовать. Представляя собой частные приспособительные структуры организма, части возникают в ходе развития эволюции ради целого организма.

Определяющую роль целого по отношению к частям в органической природе как нельзя лучше подтверждают явления автотомии и регенерации. Ящерица, схваченная за хвост, убегает, оставив кончик хвоста. То же самое происходит с клешнями крабов, раков. Автотомия, т.е. самоотсечение хвоста у ящерицы, клешней у крабов и раков, является защитной функцией, способствующей приспособлению организма, выработавшейся в эволюционном процессе. Организм жертвует своей частью в интересах спасения и сохранения целого.

Явление автотомии наблюдается в тех случаях, когда организм способен восстановить утраченную часть. Недостающая часть хвоста у ящерицы вырастает заново (но, правда, один раз). У крабов и раков тоже часто вырастают отломанные клешни. Значит, организм способен сначала потерять часть ради спасения целого, с тем чтобы потом эту часть восстановить.

Явление регенерации еще больше свидетельствует о подчиненности частей целому: целое обязательно требует выполнения в той или иной мере утраченных частей. Современная биология установила, что регенерационной способностью обладают не только низкоорганизованные существа (растения и простейшие), но и млекопитающие.

Существует несколько видов регенерации: восстанавливаются не только отдельные органы, но и целые организмы из отдельных его участков (гидра из кольца, вырезанного из середины ее тела, простейшие, коралловые полипы, кольчатые черви, морские звезды и т.д.). В русском фольклоре нам известен Змей-Горыныч, у которого добры-молодцы отрубали головы, тут же снова выраставшие… В общебиологическом плане регенерация может рассматриваться как способность взрослого организма к развитию.

Однако определяющая роль целого по отношению к частям не означает, что части лишены своей специфики. Определяющая роль целого предполагает не пассивную, а активную роль частей, направленную на обеспечение нормальной жизни организма как целого. Подчиняясь в общем системе целого, части сохраняют относительную самостоятельность и автономность. С одной стороны, части выступают как компоненты целого, а с другой - они сами являются своеобразными целостными структурами, системами со своими специфическими функциями и структурами. В многоклеточном организме из всех частей именно клетки представляют наиболее высокий уровень целостности и индивидуальности.

То, что части сохраняют свою относительную самостоятельность и автономность, позволяет проводить относительную самостоятельность исследования отдельных систем органов: спинного мозга, вегетативной нервной системы, систем пищеварения и т.д., что имеет большое значение для практики. Пример тому - исследование и раскрытие внутренних причин и механизмов относительной самостоятельности злокачественных опухолей.

Относительная самостоятельность частей в большей мере, чем животным, присуща растениям. Им свойственно образование одних частей из других - вегетативное размножение. Каждому, наверное, в своей жизни приходилось видеть привитые, например, на яблоне черенки других растений.

3..АТОМ, ЧЕЛОВЕК, ВСЕЛЕННАЯ - ДЛИННАЯ ЦЕПЬ УСЛОЖНЕНИЙ

В современной науке широко используется метод структурного анализа, при котором учитывается системность исследуемого объекта. Ведь структурность – 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.

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ МАТЕРИИ
	Неорганическая		Общество
1	Субмикроэлементарный	Биологический макромолекулярный	Индивид
2	Микроэлементарный	Клеточный	Семья
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 государств
7	Мегауровень (планеты, звездно-планетные системы, Галактики)	Биоценоз	Человечество
8	Метауровень (метагалактики)	Биосфера	Ноосфера

Каждая из сфер объективной действительности включает в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Внутри этих уровней доминирующими являются координационные отношения, а между уровнями – субординационные.

Системное исследование материальных объектов предполагает не только установление способов описания отношений, связей и структуры множества элементов, но и выделения тех из них, которые являются системообразующими, т. е. обеспечивают обособленное функционирование и развитие системы. Системный подход к материальным образованиям предполагает возможность понимания рассматриваемой системы более высокого уровня. Для системы обычно характерна иерархичность строения, т. е. последовательное включение системы более низкого уровня в систему более высокого уровня. Таким образом, в структуру материи на уровне неживой природы (неорганической) входят элементарные частицы, атомы, молекулы (объекты микромира, макротела и объекты мегамира: планеты, галактики, системы метагалактик и т. д.). Метагалактику часто отождествляют со всей Вселенной, но Вселенная понимается в предельно широком смысле этого слова, она тождественна всему материальному миру и движущейся материи, которая может включать в себя множество метагалактик и других космических систем.

Живая природа также структурирована. В ней выделены уровень биологический и уровень социальный. Биологический уровень включает подуровни:

Макромолекул (нуклеиновые кислоты, ДНК, РНК, белки);

Клеточный уровень;

Микроорганический (одноклеточные организмы);

Органов и тканей организма в целом;

Популяционный;

Биоценозный;

Биосферный.

Основными понятиями данного уровня на последних трех подуровнях являются понятия биотоп, биоценоз, биосфера, требующие пояснения.

Биотоп – совокупность (сообщество) одного и того же вида (например, стая волков), которые могут скрещиваться и производить себе подобных (популяции).

Биоценоз – совокупность популяций организмов, при которых продукты жизнедеятельности одних являются условиями существование других организмов, населяющих участок суши или воды.

Биосфера – глобальная система жизни, та часть географической среды (нижняя часть атмосферы, верхняя часть литосферы и гидросферы), которая является средой обитания живых организмов, обеспечивая необходимые для их выживания условия (температуру, почву и т. п.), образованная в результате взаимодействия биоценозов.

Общая основа жизни на биологическом уровне – органический метаболизм (обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой) проявляется на любом из выделенных подуровней:

На уровне организмов обмен веществ означает ассимиляцию и диссимиляцию при посредстве внутриклеточных превращений;

На уровне экосистем (биоценоза) он состоит из цепи превращения вещества, первоначально ассимилированного организмами производителями при посредстве организмов-потребителей и организмов-разрушителей, относящихся к разным видам;

На уровне биосферы происходит глобальный круговорот вещества и энергии при непосредственном участии факторов космического масштаба.

На определенном этапе развития биосферы возникают особые популяции живых существ, которые благодаря своей способности к труду образовали своеобразный уровень – социальный. Социальная деятельность в структурном аспекте разделяется на подуровни: индивидов, семьи, различных коллективов (производственных), социальных групп и т. д.

Структурный уровень социальной деятельности находится в неоднозначно-линейных связях между собой (например, уровень наций и уровень государств). Переплетение разных уровней в рамках общества порождает представление о господстве случайности и хаотичности в социальной деятельности. Но внимательный анализ обнаруживает наличие в нем фундаментальных структур – главных сфер общественной жизни, которыми являются материально-производственная, социальная, политическая, духовная сферы, имеющие свои законы и структуры. Все они в определенном смысле субординированы в составе общественно-экономической формации, глубоко структурированы и обуславливают генетическое единство общественного развития в целом. Таким образом, любая из трех областей материальной действительности образуется из ряда специфических структурных уровней, которые находятся в строгой упорядоченности в составе той или иной области действительности. Переход от одной области к другой связан с усложнением и увеличением множества образованных факторов, обеспечивающих целостность систем. Внутри каждого из структурных уровней существуют отношения субординации (молекулярный уровень включает атомарный, а не наоборот). Закономерности новых уровней несводимы к закономерностям уровней, на базе которых они возникали, и являются ведущими для данного уровня организации материи. Структурная организация, т.е. системность, является способом существования материи.

Заключение

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 организации материи строятся по принципу пирамиды: высшие уровни состоят из многочисленного числа низших уровней. Низшие уровни являются основой существования материи. Без этих уровней невозможно дальнейшее построение «пирамиды материи». Высшие (сложные) уровни образуются путём эволюции – постепенно переходя от простого к сложному. Структурные уровни материи образованы из определенного множества объектов какого-либо вида и характеризуются особым способом взаимодействия между составляющими их элементами.

Все объекты живой и неживой природы можно представить в виде определенных систем, обладающих конкретными особенностями и свойствами, характеризующими их уровень организации. С учетом уровня организации можно рассматривать иерархию структур организации материальных объектов живой и неживой природы. Такая иерархия структур начинается с элементарных частиц, представляющих собой первоначальный уровень организации материи, и заканчивается живыми организациями и сообществами - высшими уровнями организации.

Концепция структурных уровней живой материи включает представления системности и связанной с ней органической целостности живых организмов. Однако история теории систем начиналась с механистического понимания организации живой материи, в соответствии с которым все высшее сводилось к низшему: процессы жизнедеятельности - к совокупности физико-химических реакций, а организация организма - к взаимодействию молекул, клеток, тканей, органов и т.п.

Список литературы

1. Данилова В.С. Основные концепции современного естествознания: Учеб. пособие для вузов. – М., 2000. – 256 с.

2. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб.. Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.; Альфа-М; ИНФРА-М, 2004. – 622 с.

3. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М., 2003. – 287 с.

4. Концепция современного естествознания: Под ред. Профессора С. И. Самыгина, Серия «Учебники и учебные пособия» -4-е изд., перераб. и доп. – Ростов н/Д: «Феникс».2003 -448c.

5. Дубнищева Т.Я. Концепция современного естествознания.: учебное пособие для студ. вузов/ 6-е изд., исправ. и допол. –М; Издательский центр «Академия», -20006.-608c.

1. Структурные уровни организации материи

В самом общем виде материя представляет собой бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств, связей, отношений и форм движения. При этом она включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все то, что не дано нам в ощущениях. Весь окружающий нас мир - это движущаяся материя в ее бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми свойствами, связями и отношениями. В этом мире все объекты обладают внутренней упорядоченностью и системной организацией. Упорядоченность проявляется в закономерном движении и взаимодействии всех элементов материи, благодаря чему они объединяются в системы. Весь мир, таким образом, предстает как иерархически организованная совокупность систем, где любой объект одновременно является самостоятельной системой и элементом другой, более сложной системы.

Согласно современной естественно-научной картине мира все природные объекты также представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. Исходя из системного подхода к природе вся материя делится на два больших класса материальных систем - неживую и живую природу. В системе неживой природы структурными элементами являются: элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы, галактики, метагалактики и Вселенная в целом. Соответственно в живой природе основными элементами выступают белки и нуклеиновые кислоты, клетка, одноклеточные и многоклеточные организмы, органы и ткани, популяции, биоценозы, живое вещество планеты.

В то же время как неживая, так и живая материя включают в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Структура - это совокупность связей между элементами системы. Поэтому любая система состоит не только из подсистем и элементов, но и из разнообразных связей между ними. Внутри этих уровней главными являют ся горизонтальные (координационные) связи, а между уровнями - вертикальные (субординационные). Совокупность горизонтальных и вертикальных связей позволяет создать иерархическую структуру Вселенной, в которой основным квалификационным признаком является размер объекта и его масса, а также их соотношение с человеком. На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.

Микромир - область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется в диапазоне от 10 -8 до 10 -16 см, а время жизни - от бесконечности до 10 -24 с. Сюда относятся поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Макромир - мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабам с человеком и его физическими параметрами. На этом уровне пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах, метрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, днях и годах. В практической действительности макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности, т.е. макротелами.

Мегамир - сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет. К этому уровню материи относятся наиболее крупные материальные объекты: звезды, галактики и их скопления.

На каждом из этих уровней действуют свои специфические закономерности, несводимые друг к другу. Хотя все эти три сферы мира теснейшим образом связаны между собой.

Структура мегамира

Основными структурными элементами мегамира являются планеты и планетные системы; звезды и звездные системы, образующие галактики; системы галактик, образующие метагалактики.

Планеты - несамосветящиеся небесные тела, по форме близкие к шару, вращающиеся вокруг звезд и отражающие их свет. В силу близости к Земле наиболее изученными являются планеты Солнечной системы, двигающиеся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. К этой группе планет относится и наша Земля, расположенная от Солнца на расстоянии 150 млн. км.

Звезды - светящиеся (газовые) космические объекты, образующиеся из газово-пылевой среды (преимущественно водорода и гелия) в результате гравитационной конденсации. Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния и тем самым изолированы друг от друга. Это означает, что звезды практически не сталкиваются друг с другом, хотя движение каждой из них определяется силой тяготения, создаваемой всеми звездами Галактики. Число звезд в Галактике - порядка триллиона. Самые многочисленные из них - карлики, массы которых примерно в 10 раз меньше массы Солнца. В зависимости от массы звёзды в процессе эволюции становятся либо белыми карликами, либо нейтронными звездами, либо черными дырами.

Белый карлик - это электронная постзвезда, образующаяся в том случае, когда звезда на последнем этапе своей эволюции имеет массу, меньшую 1,2 солнечной массы. Диаметр белого карлика равен диаметру нашей Земли, температура достигает около миллиарда градусов, а плотность - 10 т/см 3 , т.е. в сотни раз больше земной плотности.

Нейтронные звезды возникают на заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс. Высокие температура и давление в них создают условия для образования большого количества нейтронов. В этом случае происходит очень быстрое сжатие звезды, в ходе которого в наружных ее слоях начинается бурное протекание ядерных реакций. При этом выделяется так много энергии, что происходит взрыв с разбросом наружного слоя звезды. Внутренние же ее области стремительно сжимаются. Оставшийся объект и получил название нейтронной звезды, поскольку он состоит из протонов и нейтронов. Нейтронные звезды также называют пульсарами.

Черные дыры - это звезды, находящиеся на заключительном этапе своего развития, масса которых превышает 2 солнечные массы, и имеющие диаметр от 10 до 20 км. Теоретические расчеты показали, что они обладают гигантской массой (10 15 г) и аномально сильным гравитационным полем. Свое название они получили потому, что не обладают свечением, а за счет своего гравитационного поля захватывают из пространства все космические тела и излучение, которые не могут выйти из них обратно, они как бы проваливаются в них (затягиваются, как в дыру). Из-за сильной гравитации никакое захваченное материальное тело не может выйти за пределы гравитационного радиуса объекта, и поэтому они кажутся наблюдателю «черными».

Звездные системы (звездные скопления) - группы звезд, связанные между собой силами тяготения, имеющие совместное происхождение, сходный химический состав и включающие в себя до сотен тысяч отдельных звезд. Существуют рассеянные звездные системы, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие системы не имеют правильной формы. В настоящее время известно более тысячи

звездных систем. Кроме того, к звездным системам относятся шаровые звездные скопления, насчитывающие в своем составе сотни тысяч звезд. Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет. В настоящее время ученым известно около 150 шаровых скоплений.

Галактики - совокупности звездных скоплений. Понятие «галактика» в современной интерпретации означает огромные звездные системы. Этот термин (от греч. «молоко, молочный») был введен в обиход для обозначения нашей звездной системы, представляющей собой тянущуюся через все небо светлую полосу с молочным оттенком и поэтому названную Млечным Путем.

Условно по внешнему виду галактики можно разделить на три вида. К первому (около 80%) относятся спиральные галактики. У этого вида отчетливо наблюдаются ядро и спиральные «рукава». Второй вид (около 17%) включает эллиптические галактики, т.е. такие, которые имеют форму эллипса. К третьему виду (примерно 3%) относятся галактики неправильной формы, которые не имеют отчетливо выраженного ядра. Кроме того, галактики различаются размерами, числом входящих в них звезд и светимостью. Все галактики находятся в состоянии движения, причем расстояние между ними постоянно увеличивается, т.е. происходит взаимное удаление (разбегание) галактик друг от друга.

Наша Солнечная система принадлежит к галактике Млечного Пути, включающей не менее 100 млрд. звезд и поэтому относящейся к разряду гигантских галактик. Она имеет сплюснутую форму, в центре которой находится ядро с отходящими от него спиральными «рукавами». Диаметр нашей Галактики составляет около 100 тыс., а толщина - 10 тыс. световых лет. Соседней с нами является галактика Туманность Андромеды.

Метагалактика - система галактик, включающая все известные космические объекты.

Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для измерения этих расстояний разработаны следующие специальные единицы:

световой год - расстояние, которое проходит луч света в течение одного года со скоростью 300 000 км/с, т.е. световой год составляет 10 трлн км;

астрономическая единица - это среднее расстояние от Земли до Солнца, 1 а.е. равна 8,3 световым минутам. Это значит, что солнечные лучи, оторвавшись от Солнца, достигают Земли через 8,3 мин;

парсек - единица измерения космических расстояний внутри звездных систем и между ними. 1пк - 206 265 а.е., т.е. приблизительно равен 30 трлн км, или 3,3 световым года.

Структура макромира

Каждый структурный уровень материи в своем развитии подчиняется специфическим законам, но при этом между этими уровнями нет строгих и жестких границ, все они теснейшим образом связаны между собой. Границы микро- и макромира подвижны, не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты построены из микрообъектов. Тем не менее, выделим важнейшие объекты макромира.

Центральным понятием макромира является понятие вещества, которое в классической физике, являющейся физикой макромира, отделяют от поля. Под веществом понимают вид материи, обладающий массой покоя. Оно существует для нас в виде физических тел, которые обладают некоторыми общими параметрами - удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, тепло- и электропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий.

Структура микромира

На рубеже XIX-XX вв. в естественно-научной картине мира произошли радикальные изменения, вызванные новейшими научными открытиями в области физики и затронувшие ее основополагающие идеи и установки. В результате научных открытий были опровергнуты традиционные представления классической физики об атомной структуре вещества. Открытие электрона означало утрату атомом статуса структурно неделимого элемента материи и тем самым коренную трансформацию классических представлений об объективной реальности. Новые открытия позволили:

выявить существование в объективной реальности не только макро-, но и микромира;

подтвердить представление об относительности истины, являющейся только ступенькой на пути познания фундаментальных свойств природы;

доказать, что материя состоит не из «неделимого первоэлемента» (атома), а из бесконечного многообразия явлений, видов и форм материи и их взаимосвязей.

Концепция элементарных частиц. Переход естественно-научных знаний с атомного уровня на уровень элементарных частиц привел ученых к заключению, что понятия и принципы классической физики оказываются неприменимыми к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи (микрообъектов), таких, как электроны, протоны, нейтроны, атомы, которые образуют невидимый нами микромир. В силу особых физических показателей свойства объектов микромира совершенно не похожи на свойства объектов привычного нам макромира и далекого мегамира. Отсюда возникла необходимость отказа от привычных представлений, которые навязаны нам предметами и явлениями макромира. Поиски новых способов описания микрообъектов способствовали созданию концепции элементарных частиц.

Согласно этой концепции основными элементами структуры микромира выступают микрочастицы материи, которые не являются ни атомами, ни атомными ядрами, не содержат в себе каких-либо других элементов и обладают наиболее простыми свойствами. Такие частицы были названы элементарными, т.е. самыми простыми, не имеющими в себе никаких составных частей.

После того как было установлено, что атом не является последним «кирпичиком» мироздания, а построен из более простых элементарных частиц, их поиск занял главное место в исследованиях физиков. История открытия фундаментальных частиц началась в конце XIX в., когда в 1897 г. английский физик Дж. Томсон открыл первую элементарную частицу - электрон. История открытия всех известных сегодня элементарных частиц включает два этапа.

Первый этап приходится на 30-50-е гг. XX в. К началу 1930-х гг. были открыты протон и фотон, в 1932 г. - нейтрон, а спустя четыре года - первая античастица - позитрон, которая по массе равна электрону, но имеет положительный заряд. К концу этого периода стало известно о 32 элементарных частицах, причем каждая новая частица была связана с открытием принципиально нового круга физических явлений.

Второй этап приходится на 1960-е гг., кода общее число известных частиц превысило 200. На этом этапе основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. В 1970-80-е гг. поток открытий новых элементарных частиц усилился, и ученые заговорили о семействах элементарных частиц. На данный момент науке известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще рядом физических характеристик.

Все элементарные частицы обладают некоторыми общими свойствами. Одно из них - свойство корпускулярно-волнового дуализма, т.е. наличие у всех микрообъектов как свойств волны, так и свойств вещества.

Другим общим свойством является наличие почти у всех частиц (кроме фотона и двух мезонов) своих античастиц. Античастицы - это элементарные частицы, схожие с частицами по всем признакам, но отличающиеся противоположными знаками электрического за ряда и магнитного момента. После открытия большого числа античастиц ученые заговорили о возможности существования антивещества и даже антимира. При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции - превращение частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий (вещество превращается в излучение).

Еще одним важнейшим свойством элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость. Этого свойства нет ни в макро-, ни в мегамире.

Уровня организации материи (2)Реферат >> Биология

3 2. Триединство концептуальных уровней познания в современной биологии …………………………….….. 4 3. Структурные уровни организации живых систем ….. . 6 ... уровне организации материи . Живая природа (коротко - жизнь) - это такая форма организации материи на уровне ...

Особенности биологического уровня организации материи (1)

Реферат >> Биология

5. Структурные уровни живого. 6. Заключение. 7. Список литературы. Введение. Биологический уровень организации материи представлен... и др. Структурные уровни организации живого. Системно-структурные уровни организации многообразных форм живого достаточно...

Наследственность. Структурные уровни организации наследственного материала

Реферат >> Биология

Наследственность. Структурные уровни организации наследственного материала . Наследственность. Структурные уровни организации наследственного материала . Регуляция... Причина – серьезные препятствия: -организация генетического материала в форме хромосом - ...