Структурная иерархия материального мира

В современном естествознании принят системный подход. Это методологическое направление в науке предполагает, что любой материальный объект может быть рассмотрен как сложноорганизованное образование, называемое системой.

Система (systema – соединение, состоящее из частей) – совокупность элементов, определенным образом связанных между собой и образующих некоторую целостность.

Вообще говоря, в качестве системы можно рассматривать любой объект действительности, лишь бы он был целостным множеством элементов, например, коробку с карандашами. В науке же под системами обычно понимают объекты с устойчивыми и упорядоченными связями элементов между собой, способные относительно самостоятельно существовать в окружающей среде, например, биологический организм. Эти связи образуют структуру объекта.

Структура (structura – строение) – относительно устойчивый способ организации элементов системы. Если сохраняется структура, то сохраняется и система в целом.

По мере развития естествознания расширялся горизонт человеческого опыта. В настоящее время наблюдениям доступны объекты с пространственными размерами примерно от 10^-18 до 10²⁶ м. По отношению к человеку как субъекту познания выделяют три основных уровня структурной организации материального мира:

1) макромир – объекты, соразмерные повседневному человеческому опыту, то есть имеющие размеры в интервале 10^-4 – 10² м;

2) микромир – малые, непосредственно не наблюдаемые объекты размерами 10^-18 – 10^-4 м;

3) мегамир – объекты космоса размерами 10⁴ – 10²⁶ м.

Объекты мегамира.

Основная структурная единица – звезда. Звезды – это природные термоядерные реакторы, в которых происходят превращения вещества на ядерном уровне. В зависимости от размеров и плотности звезды можно разделить на два класса: обыкновенные и компактные. Обыкновенные имеют размеры в интервале 10⁸ – 10¹¹ м. Компактные – в интервале 10³ – 10⁴ м. К компактным звездам относятся белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. По современным представлениям, эти объекты возникают в результате эволюции обыкновенных звезд. Например, сейчас Солнце является обыкновенной звездой, а примерно через 5 млрд. лет физические процессы приведут его в состояние белого карлика.

Космические тела – объекты размерами 10⁴ – 10⁸ м, входящие в состав планетных систем. На основании наблюдений предполагается существование таких систем у сотен ближайших звезд. Космические тела в Солнечной системе представлены планетами, астероидами и кометами, которые движутся по определенным траекториям вокруг Солнца.

Звездные скопления (10¹⁷ – 10¹⁹ м) можно разделить на два вида: шаровые и рассеянные. Шаровые имеют правильную сферическую форму и могут состоять из сотен тысяч и даже миллионов звезд. Возраст шаровых скоплений достигает 15 млрд. лет. Это самые старые образования в нашей Галактике. Рассеянные содержат десятки, сотни, тысячи звезд. Эти скопления группируются исключительно вдоль Млечного Пути.

Существование скоплений наводит на мысль, что, видимо, звезды рождаются группами.

Галактики или звездные системы имеют размеры 10²⁰ – 10²¹ м. Всего известно 125 млрд. галактик. По форме их классифицируют на спиральные, эллиптические и неправильные. Наша Галактика является спиральной.

Видимое или светлое вещество составляет лишь 10% массы галактики. Оно представлено миллиардами звезд, а также межзвездным газом и пылью.

90% массы галактик – это темное вещество в составе слабо светящегося газа, потухших звезд и планет. Оно практически не видимо и может быть обнаружено в основном по его гравитационному воздействию на светлое вещество.

Скопления галактик (10²² – 10²³ м) бывают трех видов:

скопления сферической формы, содержащие сотни и тысячи галактик;

галактические облака, включающие до 20 тысяч галактик;

группы, состоящие из десятков галактик.

Ячеистая структура. Правильное чередование галактик и пустот между ними образует шестигранную структуру с размером ячеек 10²⁴ м. Вдоль стенок шестигранников расположены галактики и их скопления.

Мегагалактика – это вся доступная наблюдениям часть Вселенной. Граница ее называется космологическим горизонтом и находится на расстоянии 10²⁶ м, соответствующем возрасту Вселенной, оцениваемому в 13-15 млрд. лет. Этот возраст можно оценить, например, так:

лет.

Числитель – расстояние до светящегося объекта на космологическом горизонте в метрах;

Знаменатель – произведение следующих сомножителей:

- скорость света в м/с;

- число секунд в часе;

- число часов в сутках;

- число суток в году.

Объекты микромира

1. Молекула – наименьшая устойчивая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов. Размеры молекул зависят от их структуры и числа атомов (10^-10 – 10^{-4 м}).

Неорганические молекулы Н₂, О₂, N₂, Ne, As₂O₅ и др.

Органические молекулы CH₄, CH₃COOH, C₂H₆, ДНК, РНК и др.

2. Микроскопические тела представляют собой объединения молекул, имеющие определенную структуру, размером 10^-7 – 10^{-4 м.}

Они могут относиться как к живой, так и к неживой природе.

Клетка – элементарная живая система, состоящая из органов (органоидов), которые являются также микроскопическими телами. Может существовать автономно (бактерии) и в составе организма. Размер самых маленьких бактерий 10^{-7 м}, размеры большинства ядерных клеток 10^-5 – 10^{-4 м}.

Кристаллические зерна в поликристаллах (10^-7 – 10^{-6 м}) – могут расти или уменьшаться в размерах при определенных условиях.

Магнитные домены (10^-5 – 10^{-4 м}) – области ферромагнитного вещества (Fe, Co, Ni), обладающие самопроизвольной намагниченностью.

Внешнее магнитное поле вызывает рост одних доменов и уменьшение других. Нагревание вещества приводит к исчезновению доменной структуры.

3. Атом – наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами.

Состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро имеет положительный электрический заряд, электронная оболочка – отрицательный. Она состоит из электронов (e^-) – частиц, движущихся вокруг ядра. Заряд и масса электронов соответственно равны:

q_е= -1,6·10^-19 Кл, m_e = 9,1·10^{-31 кг}

Так как по модулю заряды ядра и электронной оболочки равны, то атом представляет собой в целом электрически нейтральную систему. Между зарядами в атоме существует электромагнитное взаимодействие, которое и обеспечивает его устойчивость.

Размеры атома зависят от его энергетического состояния. Наиболее устойчивым является состояние с минимальной энергией. При этом поперечники атомов составляют (1-6)·10^{-10 м. Получив энергию извне, атом переходит в состояние с большей энергией, и его размеры увеличиваются. Однако в достаточно плотных средах эти размеры ограничены взаимодействием с соседними атомами.}

В условиях космоса плотность частиц очень мала (плотность межзвездного газа ~10^-21 кг/м³) и размер атома может возрастать до 10^{-4 м. Наблюдения спектров газовых облаков свидетельствуют о существовании в них атомов углерода такого размера.}

4. Атомное ядро состоит из частиц, называемых протонами (р) и нейтронами (n). Эти частицы считаются двумя различными знаковыми состояниями одной и той же частицы, называемой нуклоном.

протон (q_p = 1,60·10^-19 Кл; m_p ≈ 1,6726·10^{-27 кг)}

нуклон

нейтрон (q_n = 0; m_n = 1,6749·10^{-27 кг)}

Устойчивость ядра обеспечивается ядерными силами, действующими между нуклонами. Размеры ядер 10^-15 – 10^-14 м.

5. Элементарные частицы – это первичные, неделимые частицы, из которых предположительно состоит материальный мир.

По мере развития экспериментальной техники открываются новые частицы, а прежние оказываются составными, поэтому список элементарных частиц все время пополняется.

Современная классификация охватывает более трехсот их наименований. Она содержит два основных класса – адроны и лептоны.

Адроны – участвуют в сильных (ядерных) взаимодействиях.

Лептоны – в слабых и электромагнитных (электрон, нейтрино).

Адроны делятся на два семейства (барионы и мезоны).

Барионы – могут превращаться в p или получаться из него (р и n).

Размеры ядер и частиц определяются по результатам их столкновений. Размеры некоторых из них < 10^{-15 м и точно неизвестны.}

Здесь пролегает горизонт человеческого опыта в микромире. Далее следуют лишь гипотезы и предположения.

Например, в кварковой модели строения вещества (1964 г., Гелл-Манн и Цвейг) предполагается, что любой адрон можно представить в виде набора кварков – частиц, имеющих дробный электрический заряд. Лептон непредставим.

Хотя в свободном виде кварки не обнаружены и считается, что они существуют только в составе адронов, эта теория позволила объяснить некоторые эксперименты, а также открыть новые частицы.