Материя (физика). Представление о физической материи

В данной статье на основе онтологического понятия материи даётся анализ и определение понятия физической материи, имеющей решающее значение для вывода теоретической физики из кризиса ХХ века.

Введение. Как известно , на рубеже XIX и XX в.в. разразился великий кризис классической физики. Открытия конца XIX в. - рентгеновских лучей (1895), естественной радиоактивности (Беккерель, 1896), электрона (Дж. Томсон, 1897), радия (Пьер и Мария Кюри, 1898), квантового характера излучения (Планк, 1900) были началом революции в науке. Были разрушены ранее господствовавшие представления о неизменности химических элементов, о безструктурности атома, о независимости движения от материальных масс, о непрерывности излучения. Начиная с этого момента, стали быстро множиться новые и новые экспериментальные данные, говорящие о существовании микромира. Для его описания нельзя было применять те основные понятия, принципы и законы, которые вырабатывались физикой XIX века при изучении макротел.

Современная официальная физика считает, что кризис разрешился появлением теории относительности, квантовой механики, Большого взрыва и других подобных теорий, противоречащих логике .

Тем самым выход из великого кризиса физики, казалось бы, был найден. И всё же до сих пор остаётся сомнение, была ли квантово-релятивисткая физика единственно возможным выходом из кризиса. Более того, в настоящее время в квантовой физике и в теории относительности выявляется всё больше проблем и противоречий, таких как индетерминизм в явлениях природы, расходимости и бесконечности при анализе структуры электрона и теплового спектра, обнаружение сверхсветовых скоростей, нераскрытая и противоречивая структура ядер и элементарных частиц. Поэтому складывается впечатление, что квантово-релятивисткая физика не устранила кризис, но лишь отсрочила его, посредством формальных согласующих приёмов, устранивших противоречия лишь поверхностно, внешне, но сохранив их в латентной форме. А сами корни противоречий, приведших к кризису, не были вскрыты [3 ].

Разрешение кризиса требовало создания новой картины мира, для чего были необходимы новые логико-гносеологические принципы. Формулировка этих принципов должна была начаться с пересмотров критериев материальности, которые не замыкались бы на поисках какого-то первоначала мира, и учитывали бы новые физические реальности. Кризис в физике привёл к новому пониманию представлений о материи, движении, пространства и времени и возникновению диалектического материализма, давшего новое универсальное определение понятию материи: «Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отражается нашими ощущениями, существуя независимо от них » . Отсюда вытекают следующие свойства материи: объективность, неисчерпаемость, познаваемость, несотворимость и неуничтожимость.

Из выше изложенного следует, что материя как объективная реальность существует не как некий материал, из которого строятся все конкретные вещи, а отражает бесчисленное множество вещей, их свойств и отношений, что предполагает существование многообразных видов материи, которые в современной науке трактуются как уровни её структурной организации. Таким образом, диалектический материализм покончил с прежней натурфилософией, определив материальную субстанцию как нечто, находящееся вне отдельных вещей, а равным образом и некий предельно общий для всех вещей признак, свойства которого можно было бы зафиксировать как что-то конкретное, осязаемое, но в то же время принадлежащее всем без исключения телам в бесконечности Вселенной.

Определение физической материи. Диалектический материализм утверждает, что материя не является чем-то неизменным, но находится в состоянии непрерывного изменения, развития - движения, понимаемого в общем, философском смысле этого слова. «Движение есть форма бытия материи. Нигде и никогда не бывало и не может быть материи без движения?» . Движущуюся материю можно познавать, лишь, рассматривая частные, конкретные формы материи и её движения, причём эти частные формы материи и её движения следует рассматривать не изолированно, но в их взаимосвязи .

Соответственно многообразию явлений природы существует и множество различных видов движения материи. Но среди этого многообразия можно выделить несколько основных форм движения , каждая из которых охватывает более или менее широкий круг явлений, родственных в определенном отношении. Неразрывность материи и движения выражается не только в том, что материя не может быть без движения, но также в том, что между каждой из форм движения и теми материальными объектами, способом существования которых они являются, имеется вполне определенное соответствие, определенная внутренняя связь.

Это значит, что каждой форме движения материи ставится в соответствие одна форма материи и наоборот.

Простейшей формой движения материи является физическая , которой соответствует физическая материя.

Понятие материи в физике - центральное, поскольку физика изучает основные свойства вещества, типы фундаментальных взаимодействий, законы движения различных систем (простые механические системы, системы с обратной связью, самоорганизующиеся системы) и т.д. Эти свойства и законы определенным образом проявляются в технических, биологических и социальных системах, в силу чего физика широко используется для объяснения происходящих в них процессов. Все это сближает философское понимание материи и физическое учение о ее строении и свойствах.

Особенности и современное состояние физического понятия материи отражено в работе : “Физическое понятие материи довольно существенно отличается от онтологического понятия. Оно складывается со становлением экспериментального естествознания 17 в. под влиянием как философских представлений, так и ради нужд эксперимента. Для Галилея первичные качества материи - это ее арифметические (исчислимость), геометрические (форма, величина, положение, касание) и кинематические (подвижность) свойства. Кеплер усматривает в материи две изначальных, диалектически противопоставленных силы: силу движения и силу инерции. В классической ньютоновской механике основные свойства материи - это инерция (инертная масса), способность сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, и тяжесть - способность тяжелых масс взаимно притягиваться по закону гравитации. Материи противопоставляется энергия - (-)способность совершать механическую работу, или проявлять силу в движении. Другие признаки материи: сохранение массы во всех физических и химических процессах; тождество инертной и тяжелой массы, отличие материи от пространства и времени.

Уже у Лейбница и Канта материя оказывается полностью сводимой к проявлениям силы. У Канта она зависима от пространства и времени как первичных форм чувственности. К нач. 20 в. понятие материи как носителя массы, отличного от силы и энергии, с одной стороны, от пространства и времени, с другой, - расшатывается. В частности, напр., сам процесс взвешивания, сведение массы к весу, устраняет барьер между инертностью как признаком вещества и силой. Уже второй закон Ньютона определяет массу через соотношение силы и ускорения. Открытие неевклидовых геометрий поставило вопрос об их физическом смысле и сделало проблематичным физическое понятие пространства. Кроме того, предпринимались попытки объяснить массу как чисто электромагнитно-индуктивный эффект, причем масса должна рассматриваться в этом случае как величина, зависимая от скорости. Наконец, теория относительности Эйнштейна поставила массу в окончательную зависимость от скорости. Масса и энергия в формуле Ε = mс 2 эквивалентны друг другу и взаимозаменимы. Закон сохранения действителен теперь лишь применительно к “сумме” массы и энергии, т. н. “массэнергии”. В то же время пространство, или пространственно-временной континуум, утрачивает “онтологичекое” отличие от материи. И то, и другое рассматриваются теперь как различные аспекты той же реальности и, в конечном счете, отождествляются. В современной физике не сохранилось ни одного из классических определений материи. Однако как философия, так и физика предпочитают обходить это ставшее неопределенным и темным понятие, заменяя его другими - пространство-время, хаос, система и др.”

С позиций философии и физики начала ХХI в. со всей очевидностью просматривается теоретический разрыв в определениях между онтологическим представлением понятия материи (см. выше) и ее представлении в конкретных видах наук. ”Развитие диалектического материализма вширь привело к тому, что отчетливо обозначилось отставание в разработке ядра этой философии — учения о материи — от общего объема научных знаний. В этом отставании видится одна из причин кризисных явлений в физике.“

В настоящее время современная наука предполагает существование трех форм физической материи: вещество, поле (в классическом смысле) , материальные объекты неясной физической природы.

Наличие множества форм физической материи противоречит выше приведенному утверждению: одна форма движения материи - одна форма материи. Для устранения этого противоречия проведем анализ форм физической материи по критерию их материальности.

Вещество в физике понимается, как правило, как вид материи, состоящий из фермионов или содержащий фермионы наряду с бозонами; обладает массой покоя, в отличие от некоторых типов полей, как например электромагнитное. Обычно (при сравнительно низких температурах и плотностях) вещество состоит из частиц, среди которых чаще всего встречаются электроны, протоны и нейтроны. Последние два образуют атомные ядра, а все вместе - атомы (атомное вещество), из которых - молекулы, кристаллы и т. д.

Каждому веществу присущ набор специфических свойств - объективных характеристик, которые определяют индивидуальность конкретного вещества и тем самым позволяют отличить его от всех других веществ. К наиболее характерным физико-химическим свойствам относятся константы - плотность,температура плавления, температура кипения, термодинамические характеристики, параметры кристаллической структуры. К основным характеристикам вещества принадлежат его химические свойства.

Вещество существует в трёх агрегатных состояниях - твёрдом, жидком и газообразном .

Поле в физике - физический объект, классически описываемый математическим скалярным, векторным,тензорным, спинорным полем (или некоторой совокупностью таких математических полей), подчиняющимся динамическим уравнениям (уравнениям движения, называемым в этом случае уравнениями поля или полевыми уравнениями - обычно это дифференциальные уравнения в частных производных).

Исторически понятие поля было введено в научный обиход М. Фарадеем, а затем применено Дж. К. Максвеллом как математическое оформление теории, ставшей основой классической электродинамики. В настоящее время понятие поля как не имеет определения, так и не раскрыта его физическая сущность. Таким образом, утверждать о том, что поле это объективная реальность, существующая вне сознания не приходится. Достаточное и необходимое обоснование нематериальности поля приведено в работе :”Более сложная ситуация возникла вокруг компоненты парадигмы, содержащей представление о материи как единой сущности. Ситуация обусловлена тем, что многие философы-материалисты, наблюдая разнообразие природных процессов и несводимость их в единую теорию, стали рассматривать материю как совокупность различных ее видов или форм. В этом случае казалось, что каждому объекту природы, кардинально отличающемуся от других объектов, можно сопоставить свой вид материи. Такой подход обеспечивал сосуществование идеалистической по своему генезису науки и материалистической философии, позволял вводить необходимые поправки в трактовку физических объектов и явлений. Поправки придавали метафизической науке материалистический оттенок. Так появилось представление о различных полях как видах материи и тезис “поле — вид материи” получил широкое распространение… …тезис “поле — вид материи” оказался не только малоэффективным, но и продуцирующим непреодолимые трудности. Дело в том, что полей в физике довольно много. Следовательно, для описания полей надо привлекать множество различных видов материи. Поскольку же вид материи — это, прежде всего, особая материя, то наш мир должен был бы состоять из множества материй. В случае множества материй, мы наблюдали бы множество миров и говорить о едином мире и единстве природы не приходится.»

Материальные объекты неясной физической природы (Тёмная материя, Тёмная энергия). Эти объекты были введены в научный обиход для объяснения ряда астрофизических и космологических явлений.

Тёмная материя в астрономии и космологии, а также в теоретической физике - гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение. Вывод о существовании тёмной материи сделан на основании многочисленных, согласующихся друг с другом, но косвенных признаков поведения астрофизических объектов и по создаваемым ими гравитационным эффектам. Ожидается, что обнаружение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.

Из выше изложенного можно сделать вывод, что физическая материя имеет единственную форму, которая тождественна понятию вещества. Однако, как известно , «вещественное» значение термина (термин «материя» происходит от лат. materia – вещество) удерживалось вплоть до XX века, когда произошла революция в физике, означавшая кризис одностороннего, основанного на обязательном чувственном восприятии, понимания материи, составлявшего суть концепции метафизического материализма. В философском отношении значение этой революции — разрушение последней цитадели метафизики – представления об атомах, как кирпичиках мироздания и переход на новый качественный уровень знаний о строении материи. Квантово-релятивистская физика, для которой электрон это безструктурная частица, фотон - безмассовая, а нейтрино - частица без электрического заряда и т. п., также ничего не смогла дать для развития представлений о физической материи.

В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное образование, включающее составные части, организованные в целостность. Очевидно, что решение проблемы представления физической материи невозможно без использования методологии системного анализа. В данной работе в качестве такой методологии используется общая теория систем Ю. Т. Урманцева (ОТС) , отличающаяся от других полнотой, достаточностью и алгоритмизируемостью процесса системного анализа.

Определение понятия физической материи проведено с использованием С-метода ОТС. В соответствии с С-методом построим систему материи.

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.

По основанию критерия материальности выделим множество первичных элементов, все многообразие которых представлено в виде объектов живой и неживой природы. В современной физике это многообразие объектов обычно распределяют в три группы: микромир, макромир и мегамир . Микромир, макромир и мегамир тесно связаны между собой.

Наложим на эти элементы отношения взаимосвязи и взаимодействия.

На рубеже XX и XXI веков стало интенсивно развиваться новое научное направление, называемое уровневой физикой. Основная ее идея заключается в том, что движущаяся материя имеет несколько структурных уровней и что каждому уровню структуры материи соответствуют свои материальные объекты, характеризуемые энергией, размер порядка которой соответствует только данному уровню. Из этого следует, что каждому уровню структуры материи соответствует своя среда. Различие между структурными уровнями заключается в различии свойств материальных объектов, заполняющих среду каждого уровня. При этом объекты конкретного структурного уровня материи состоят из объектов среды иерархически более высокого структурного уровня. И более высокие уровни вложены в более низкие уровни.

В соответствии с агрегатным состоянием вещества (твердое тело, жидкость, газ), а также с его структурными уровнями организации образуем множество композиций системы.

На основании вышеизложенного дадим следующее определение.

Физическая материя это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих объектов живой и неживой природы, структурированных уровнями организации и находящихся в одном из агрегатных состояний.

На основе данного определения построим систему классификации физической материи.

В физической материи выделяются два больших класса материальных систем: системы неживой природы и системы живой природы. По другому критерию – масштабам представления – выделяют три основных структурных уровня материи:

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

макромир – мир макрообъектов, соизмеримых с человеком и его опытом. Пространственные величины макрообъектов выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах (10 6 – 10 7 см), а время – в секундах, минутах, часах, годах, веках;

мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояния в котором измеряются астрономическими единицами, световыми годами и парсеками (до 10 28 см), а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет.

По структурному уровню организации:

элементарные частицы;

молекулы;

макроскопические тела;

планеты и планетные системы;

звезды и звездные системы;

галактики;

метагалактика (наблюдаемая часть Вселенной);

Вселенная.

В соответствии с агрегатным состоянием вещества:

твердое тело,

жидкость,

Выводы. Основной для решения кризисных проблем в физике, в частности, представление физической материи, является диалектический материализм, играющий важную методологическую и мировоззренческую роль в интеграции современных научных знаний в условиях научно-технической революции, в частности, давшее новое универсальное определение понятию материи.

Приведен анализ существующих видов материи и их соответствии онтологическому понятию материи.

На основе методологии системного анализа ОТС дано определение физической материи, устраняющее теоретический разрыв между онтологическим и физическим пониманием материи.

На основе методологии системного анализа ОТС предложен алгоритм классификации физической материи. Результат отражен в Таблице. Классификация физической материи.

Предложенная классификация физической материи является следствием закона композиции, который накладывает на физическую материю ряд ограничений, одним из которых является агрегатное состояние газ для всех структурных уровней организации материи. Это ограничение окончательно обосновывает нематериальность таких видов материи, как поле и материальные объекты неясной физической природы.

Таблица. Классификация физической материи.

Литература :

https://ru.wikipedia.org/wiki/ Классическая физика.
http://arxiv.su/blogs/users/pkaravdin/63526/ Каравдин П. А. О ПРИЧИНЕ КРИЗИСА ФИЗИКИ.
http://ritz-btr.narod.ru/index.html#O Семиков С. КРИЗИС КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ НАЧАЛА XX ВЕКА: БЫЛА ЛИ НЕКЛАССИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ВЫХОДОМ ИЗ НЕГО?
Ленин В.И. Материализм и эмпириокритицизм. Полн. Собр. соч.. Т.18. С.131.
Энгельс Ф., Анти-Дюринг, стр. 56-57, Госполитиздат, 1950.
Фриш С.Э. Представление о массе и энергии в современной физике // УФН. - 1952. - Т. 48, вып. 10. 7.
http://psylib.org.ua/books/konst01/index.htm Ф.В.Константинов и др. ДИАЛЕКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛИЗМ В кн.: Основы марксистской философии. 2-е изд., с. 69-294 М.: Политиздат, 1963.
Бородай T. Ю. Новая философская энциклопедия: В 4 тт. М.: Мысль. Под редакцией В. С. Стёпина. 2001.
Блинов В.Ф. Физика материи. Киев, 2009. – 422 с.
https://ru.wikipedia.org/wiki/ Вещество.
https://ru.wikipedia.org/wiki/ Агрегатное состояние.
https://ru.wikipedia.org/wiki/ Поле (физика).
https://ru.wikipedia.org/wiki/ Темная материя.
http://www.studfiles.ru/all-vuz/184/folder:4980/ философия. Революция в науке конца XIX– начала XX веков и ее значение в дальнейшем развитии современного материалистического взгляда на мир.
http://www.enc-dic.com/enc_epist/Sistemn-podhod-665.html Системный подход. Энциклопедия эпистемологии и философия науки.
http://www.sci.sha.ru Урманцев Ю.Т. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ СИСТЕМ: СОСТОЯНИЕ, ПРИЛОЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ.
http://www.gumer.info/bibliotek_Buks/Science/guseihan/index.php Гусейханов М., Раджабов О. Концепции современного естествознания: Учебник. М. — 2007 .
http://www.physicalsystems.org/ Коган И.Ш. Что такое материя, движение, среда, вещество?

Лямин В. С., Лямин Д. В.

Понятие «Материя » является общефилософской категорией, которую порой пытаются распространить на все подряд, особенно из-за расцвета материализма в XX веке. Такой подход к понятию материя, нередко наделенный мистическим смыслом, оказывает на физику, скорее, негативное влияние. Нередко можно встретиться с обсуждением таких вопросов, как материальность мыслей, материальность отбрасываемых объектами теней, материальность и времени, существование материи в виде чистой , рождение материи из энергии, материальный характер и других излучений и так далее.

Полевая физика в подобных мистико-философских вопросах очень категорична. В противовес бытующим представлениям, что материально все реально существующее, в под материей понимается очень узкий круг вещей. А именно, базовые , такие как протон и электрон, и состоящее из них вещество. Все остальное в полевой физике считается нематериальным, что позволяет избежать очень многих проблем и логических противоречий, свойственных современной физике.

Например, одной из реально существующих, но не материальных сущностей считается или если говорить традиционным языком - . Они не состоят из известных элементарных частиц, не подчиняется законам материальных объектов, и не обладает такими материальными характеристиками как или . Полевой среде или полям присущи свои характеристики, например, и , подчиняется своим законам и представляет собой отдельную область физики.

Другой предмет физического изучения, которые не следует путать с материей - это . Например, материальным может быть груз на пружине, а его колебания - это процесс, не имеющий никакого отношения к материи. Материальными характеристиками, например массой, может обладать сам груз, а колебательный процесс как таковой не имеет массы, но может характеризоваться такими величинами, как период или частота.

По аналогии в считается, что например , не является материальным. Свет - это колебательный процесс электромагнитного поля или , а не материя. Следовательно, неверно приписывать свету такие материальные свойства как , или применять к нему правило сложения , справедливое только для материальных тел.

Так скорость распространения возмущений в полевой среде (света) не зависит от скорости источника этих возмущений, также как скорость распространения кругов на воде не зависит от скорости полета камня, который привел к их образованию. Однако глубокая философская ошибка, связанная с попытками применить к свету законы , справедливые только для материальных тел и, в частности, закон сложения скоростей, привела на рубеже XIX - XX веков к огромной путанице в физике. Это потребовало вместо простой и прозрачной научной логики использовать искривление , искажение времени и множество иных формальных приемов в рамках запутанных и нередко противоречивых теорий.

Полевая физика не считает материальными также искусственные логические понятия, созданные человеком для описания физических явлений и . К ним относятся, например, понятия пространства и времени, которые согласно являются лишь абсолютным ориентиром, но не могут влиять на явления и процессы, как и сами не могут подвергаться влиянию. К таким же понятиям относится и , которая не более чем число, характеризующее движение материальных объектов. Однако это число не является материальной сущностью, оно не может нечего рождать или рождаться в процессе каких-то процессов. Полевая физика считает все подобные манипуляции с энергией, пространством и временем, присущие современной физике, мистикой и не рассматривает их серьезно.

Все сказанное выше можно подытожить следующим образом. В XX веке физика попала под пагубное влияние расцвета материализма, в результате чего материей или материальным спешили объявить все подряд. Однако это привело лишь к рассвету мистики в рамках современных физических теорий. Полевая физика утверждает, что для объективного рассмотрения тех или иных физических сущностей, которые объективно существуют, не следует обязательно отождествлять их с материей и автоматически распространять на них характеристики и законы, применимые к материальным телам. Материя в смысле частиц и физических тел является лишь одним из классов физических задач, материи присущи свои физические характеристики и законы, однако в нашем Мире есть и физические сущности иной природы.

К наиболее важным фундаментальным концепциям физического описания природы относятся пространство, время, движение и материя .

В современной физической картине мира окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, зависимость их от материи . Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в едином четырехмерном пространственно-временном континууме.

Меняется представление о движении , которое становится лишь частным случаем физического взаимодействия. Известно четыре вида фундаментальных физических взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Они описываются на основе принципа близкодействия, взаимодействия, передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия всегда конечна и не может превышать скорости света в вакууме (300 000 км/с).

1. Корпускулярно – волновой дуализм материи. Квантово-полевая картина мира. Материя – это философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них – это философское определение материи.

В классическом естествознании различают два вида материи: вещество и поле. По современным представлениям признано существование еще одного вида материи – физический вакуум.

В классической механике Ньютона в качестве вещественных образований выступает материальная частица малых размеров – корпускула, часто называемая материальной точкой и физическое тело, как единая система корпускул, каким-то образом связанных между собой. Конкретные формы этих вещественных образований по классическим представлениям – песчинка, камень, вода и т.п.

В девятнадцатом веке с появлением представлений об электромагнитном поле началось новая эра в естествознании.

Датский физик Эрстед (1777 – 1851) и французский физик Ампер (1775 – 1836) показали на опыте, что проводник с электрическим током порождает эффект отклонения магнитной стрелки. Эрстед предположил, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое является вихревым. Ампер заметил, что магнитные явления происходят тогда, когда по электрической цепи течет ток. Появилась новая наука – электродинамика.

Английский физик Фарадей (1791 – 1867) открыл явление электромагнитной индукции – возникновение тока в проводнике вблизи движущегося магнита.

Основываясь на открытиях Фарадея в области электромагнетизма, английский математик и физик Максвелл (1831 – 1879) вводит понятие электромагнитного поля.

Согласно теории Максвелла, каждая заряженная частичка окружена полем – невидимым ореолом, оказывающим воздействие на другие заряженные частицы, находящиеся поблизости, т.е. поле одной заряженной частицы действует на другие заряженные частицы с некоторой силой.

Теория электромагнитного поля ввела новое представление, что электромагнитное поле реальность, материальный носитель взаимодействия. Мир постепенно стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электрического поля.

2. Квантовая механика. На исходе третьего десятилетия ХХ века классическая физика пришла к затруднениям в описании явлений микромира. Появилась необходимость разработки новых методов исследования. Возникает новая механика – квантовая теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц.

В 1901 г. немецкий физик Макс Планк (1858 – 1947) при исследовании теплового излучения пришел к выводу, что в процессах излучения энергия излучается или поглощается не непрерывно, а лишь малыми порциями – квантами, причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте испускаемого излучения: Е= hy, где y – частота света, h – постоянная Планка.

В 1905 г. Эйнштейн применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света.

Квантовая теория вещества и излучения получила подтверждение в экспериментах (фотоэффект), обнаруживших, что при облучении твердых тел светом, из них выбиваются электроны. Фотон ударяется об атом и выбивает из него электрон.

Эйнштейн объяснил этот так называемый фотоэффект на основе квантовой теории, доказав, что энергия, необходимая для освобождеия электрона зависит от частоты света. (светового кванта), поглощаемого веществом.

Было доказано, что свет в опытах по дифракции и интерференции проявляет волновые свойства, а в экспериментах по фотоэффекту - корпускулярные, т.е. может вести себя и как частица и как волна, значит обладает дуализмом.

Представления Эйнштейна о квантах света привели к идее о «волнах материи», это послужило основой развития теории корпускулярно-волнового дуализма материи.

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль (1892- 1987) пришел к выводу, что сочетание волновых и корпускулярных свойств является фундаментальным свойством материи. Волновые свойства присущи всем видам материи (электронам, протонам, атомам, молекулам, даже макроскопическим телам).

В 1927 г. американскими учеными Дэвисом и Джермером и независимо от них П.С. Тартаковским были обнаружены волновые свойства электронов в экспериментах по дифракции электронов на кристаллических структурах. Позже были обнаружены волновые свойства и у других микрочастиц (нейтронов, атомов, молекул). На основе системы формул волновой механики были предсказаны и открыты новые элементарные частицы.

Современная физика признала корпускулярно-волновой дуализм материи. Любой материальный объект проявляется и как частица и как волна в зависимости от условий наблюдения.

С развитием теории физического вакуума, определение материи дополняется. Современное определение материи: материя – это вещество, поле и физический вакуум.

Теория физического вакуума находится на стадии разработки, природа вакуума до конца не исследована, но известно, что ни одна материальная частица не может существовать без присутствия вакуума, это среда, в которой она существует и из которой появляется. Вакуум и вещество неразделимы.

3. Принципы современной физики. В 1925 г. швейцарский физик В. Паули (1900-1958) обосновал принцип: в любой квантовой системе (атом) 2 или более электронов не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии (на одном энергетическом уровне или на одной орбите). Принцип Паули определяет закономерности заполнения электронных оболочек атомов, периодичность их химических свойств, валентность, реакционную способность. Это фундаментальный закон природы.

В 1924 г. Н. Бор сформулировал принцип дополнительности : ни одна теория не может описать объект столь исчерпывающим образом, чтобы исключить возможность альтернативных подходов. Примером служит решение ситуации корпускулярно-волнового дуализма материи. «Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».

В 1927 г. немецкий физик В. Гейзенберг сформулировал знаменитый принцип неопределенностей. Смысл, которого в том, что невозможно одновременно осуществить измерение и координаты и скорости (импульса) частицы . Никогда нельзя одновременно знать где находится частица и как быстро и в каком направлении она движется.

Соотношение неопределенностей выражает невозможность наблюдать микромир, не нарушая его. Пример: если в эксперименте нужно установить координату частицы с известной скоростью, ее необходимо осветить, т.е. направить пучок фотонов, однако фотоны сталкиваясь с частицами передадут им часть энергии и частица начнет двигаться с новой скоростью и в новом направлении. Наблюдатель-экспериментатор вмешиваясь в систему, внедряясь в нее со своими приборами, нарушает текущий порядок событий.

Основная идея квантовой механики состоит в том, что, в микромире определяющим является представление о вероятности событий. Предсказания в квантовой механике имеют вероятностный характер, невозможно точно предсказать результат эксперимента, можно рассчитать только вероятность различных исходов опыта.

С позиций физики, на микроуровне господствуют статистические закономерности , на макроуровне динамические законы . Философское осмысление принципа неопределенностей показывает, что случайность и неопределенность фундаментальное свойство природы и присуще и микромиру и макромиру – миру деятельности человека.

4. Элементарные частицы и силы в природе. Сегодня выделяют 4 уровня организации микромира: молекулярный, атомный, протонный (нуклонный) и кварковый.

Элементарными называют такие частицы, которые на современном уровне развития науки нельзя считать соединением других, более простых.

Различают реальные частицы – их можно фиксировать с помощью приборов и виртуальные – возможные, о существовании которых можно судить лишь опосредованно.

Аристотель считал вещество непрерывным, то есть любой кусок вещества можно дробить до бесконечности. Демокрит считал, что материя имеет зернистую структуру, и что все в мире состоит из различных атомов, которые абсолютно неделимы.

Крушение существовавших до конца 19 века представлений об абсолютной неделимости атома началось с открытия в 1897 г. английским физиком Дж. Томсоном простейшей элементарной частицы материи – электрона , которые вылетали из атома. В 1911 г. английский физик Эрнст Резерфорд доказал, что атомы вещества обладают внутренней структурой: они состоят из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов.

Сначала предполагали, что ядро атома состоит из положительно заряженных частиц, которые назвали протонами . В 1932 г. Джеймс Чэдвиг обнаружил, что в ядре есть еще другие частицы – нейтроны , масса которых равна массе протона, но которые не заряжены.

В 1928 г. физиком–теоретиком П. Дираком была предложена волновая теория электрона, основанная на его корпускулярно-волновой природе. Согласно корпускулярно-волновой теории, частицы могут вести себя подобно волне. Одна из посылок этой теории заключалась в том, что должна существовать элементарная частица, обладающая такими же свойствами, как электрон , но с положительным зарядом. Такая частица была обнаружена и была названа позитроном . Из теории Дирака также следовало, что позитрон и электрон, взаимодействуя между собой (реакция аннигиляции ), образуют пару фотонов , т.е. квантов электро-магнитного излучения. Позитрон и электрон двигаются по одной орбитали. Сталкиваясь, они превращаются в кванты излучения.

В 60-х годах ХХ века протоны и нейтроны считались элементарными частицами. Но оказалось, что протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц. В 1964 г. американские ученые М. Гелл-Манн и Д. Цвейг независимо друг от друга выдвинули сходную гипотезу существования «субчастиц». Гелл-Манн назвал их кварками . Название взял из стихотворной строки (Джойс «Поминки по Финегану»).

Известно несколько разновидностей кварков; предполагают, что существует шесть ароматов, которым отвечают: верхний (u ), нижний (d ), странный, очарованный, прекрасный, t - кв … Кварк каждого аромата может иметь один из трех цветов – красный, желтый и синий, хотя это всего лишь обозначение.

Кварки отличаются друг от друга по величине заряда и по квантовым характеристикам. Например, нейтрон и протон составляются каждый из трех кварков: протон – из uud , с зарядом +2/3 +2/3 -1/3 = 1;

нейтрон – из udd , с зарядом +2/3 -1/3 -1/3 = 0.

Каждый кварк по закону симметрии имеет антикварк.

Квантовой характеристикой является спин: S = 0; S= 1; S = 2; S = ½.. Спин очень важная квантовая характеристика элементарной частицы, не менее важная, чем заряд или масса.

В 2008 г. в Европе совместными усилиями физиков многих стран построен андронный колайдер, в результате действий которого, возможно получение сведений об «исходных кирпичиках», из которых построено вещество в природе.

5. Фундаментальные физические взаимодействия. В первой половине ХХ века физика изучала материю в двух ее проявлениях – вещество и поле. Причем кванты полей и частицы вещества подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя различным образом.

Частицы вещества являются ферми -частицами (фермионами ). Все фермионы имеют полуцелое значение спина – ½. Для частиц с полуцелым значением спина справедлив принцип Паули, согласно которому, две тождественные частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.

Все кванты полей являются бозе-частицами (бозонами). Это частицы с целым значением спина. Системы тождественных бозе-частиц подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна. Принцип Паули для них не справедлив: в одном состоянии может находиться любое число частиц. Бозе- и ферми- частицы рассматриваются как частицы, имеющие различную природу.

По современным представлениям, взаимодействие любого типа без посредника не протекает, оно должно иметь своего физического агента. Притяжение или отталкивание частиц передается через среду, их разделяющую, такой средой является вакуум. Скорость передачи взаимодействия ограничена фундаментальным пределом – скоростью света.

В квантовой механике предполагается, что все силы или взаимодействия между частицами вещества переносятся частицами с целочисленным спином, равным 0, 1, 2 (бозе-частицами, бозонами). Это происходит следующим образом, частица вещества (фермион), например электрон или кварк испускает другую частицу, которая является переносчиком взаимодействия, например, фотон. В результате отдачи скорость частицы вещества (фермиона) меняется. Частица переносчик (бозон) налетает на другую частицу вещества (фермион) и поглощается ею. Это соударение меняет скорость второй частицы.

Частицы-переносчики (бозоны), которыми обмениваются частицы вещества (фермионы) называются виртуальными, потому что в отличие от реальных их нельзя непосредственно зарегистрировать при помощи детектора частиц, так как они существуют очень короткое время.

Итак, вокруг частицы вещества (фермиона) создается поле, порождающее частицы – бозоны. Две реальные частицы оказавшись в радиусе действия однотипных зарядов начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный другой частицей-партнером и наоборот.

Частицы переносчики можно классифицировать на 4 типа в зависимости от величины переносимого взаимодействия и от того с какими частицами они взаимодействовали. Таким образом, в природе существуют четыре вида взаимодействия.

Гравитационная сила.

Это самое слабое из всех взаимодействий. В макромире оно проявляет себя тем сильнее, чем больше массы взаимодействующих тел, а в микромире оно теряется на фоне более могучих сил.

В квантово-механическом подходе к гравитационному полю, считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами материи переносится частицей со спином 2 , которая называется гравитоном . Гравитон не обладает собственной массой и переносимая им сила является дальнодействующей.

Электромагнитные силы .

Действуют между электрически заряженными частицами. Благодаря электромагнитным силам возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой электромагнитные взаимодействия.

Согласно квантовой электродинамике, заряд создает поле, квантом которого служит безмассовый бозон со спином равным 1 - фотон. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон.

Электормагнитные силы гораздо сильнее гравитационных. Эти силы могут проявляться и как притяжение и как отталкивание, в отличие от гравитационных, которые проявляются только как притяжение.

Слабое взаимодействие .

Это третье фундаментальное взаимодействие существует только в микромире. Оно отвечает за радиоактивность и существует между всеми частицами вещества со спином ½, но в нем не участвуют частицы-бозоны со спином 0, 1, 2 – фотоны и гравитоны.

Радиоактивный распад вызывается превращением внутри нейтрона кварка аромата d в кварк аромата u, (протон превращается в нейтрон, позитрон в нейтрино), меняется заряд частиц. Испускаемое нейтрино обладает огромной проницающей способностью – оно проходит через железную плиту толщиной миллиард километров. За счет слабого взаимодействия светит Солнце.

Сильное взаимодействие.

Сильные взаимодействия представляют собой взаимное притяжение составных частей ядра атома. Они удерживают кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри ядра. Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать теплоту и свет за счет ядерной энергии.

Сильное взаимодействие проявляется в ядерных силах. Они были открыты Э. Резерфордом в 1911 г. одновременно с открытием атомного ядра. Согласно гипотезе Юкавы, сильные взаимодействия состоят в испускании промежуточной частицы – пи-мезона – переносчика ядерных сил, а также другие мезоны, найденные позже (масса мезонов в 6 раз меньше массы нуклонов). Нуклоны (протоны и нейтроны) окружены облаками мезонов. Нуклоны могут приходить в возбужденные состояния – барионные резонансы, и обмениваться при этом иными частицами (мезонами).

Мечтой современных физиков является построить теорию большого объединения , которая объединяла бы все четыре взаимодействия.

Сегодня физики считают, что они могут создать эту теорию на основе теории суперструн. Эта теория должна объединить все фундаментальные взаимодействия при сверхвысоких энергиях.

Вопросы:

Как были доказаны корпускулярные и волновые свойства вещества?

Что изучает квантовая механика и почему она так называется?

Что такое вакуум и что значит «возбужденный вакуум»?

Что такое принцип дополнительности?

Что такое принцип неопределенности?

Охарактеризовать принцип симметрии.

Как связаны принципы симметрии и законы сохранения физических величин?

Каково значение принципа суперпозиции в квантовой механике?

В чем специфика отношения прибор-объект в квантовой механике?

Дать определение материи по современным представлениям.

Чем вещество отличается от поля?

Из чего состоят протоны и нейтроны?

Какие фундаментальные взаимодействия в настоящее время объединены?

Литература:

Дубнищева Т.Я. КСЕ. 2003. – С. 238-261. С. 265-309.

Горелов А.А. КСЕ. – 2004. – С. 79-94

Игнатова В.А. Естествознание. 2002. – С.110-125..

Гейзенберг В. Шаги за горизонт. – М. – 1987.

Ландау Л.Д. и др. Курс общей физики. – М: Наука, 1969. – С.195-214.

Вайнберг С. Мечты об окончательной теории. М. – 1995.

Линднер Г. Картины современной физики. – М. – 1977.

СОВРЕМЕННАЯ ХИМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

Основополагающим элементом изучения подавляющего количества естественных наук является материя. В этой статье мы рассмотрим материи, формы её движения и свойства.

Что такое материя?

На протяжении многих веков понятие материи менялось и совершенствовалось. Так, древнегреческий философ Платон видел её как субстрат вещей, который противостоит их идее. Аристотель же говорил, что это нечто вечное, что не может быть ни сотворено, ни уничтожено. Позже философы Демокрит и Левкипп дали определение материи как некой основополагающей субстанции, из которой состоят все тела в нашем мире и во Вселенной.

Современное понятие материи дал В. И. Ленин, согласно которому она является самостоятельной и независимой объективной категорией, выражаемой человеческим восприятием, ощущениями, она также может быть скопирована и сфотографирована.

Атрибуты материи

Главными характеристиками материи являются три признака:

Пространство.
Время.
Движение.

Первые два отличаются метрологическими свойствами, то есть их можно количественно измерить специальными приборами. Пространство измеряется в метрах и его производных величинах, а время в часах, минутах, секундах, а также в сутках, месяцах, годах и т. д. У времени есть также другое, не менее важное свойство - необратимость. Нельзя вернуться на какую-либо исходную временную точку, вектор времени всегда имеет одностороннюю направленность и движется от прошлого к будущему. В отличие от времени, пространство - более сложное понятие и имеет трёхмерное измерение (высота, длина, ширина). Таким образом, все виды материи могут передвигаться в пространстве за определённый промежуток времени.

Формы движения материи

Всё, что нас окружает, передвигается в пространстве и взаимодействует друг с другом. Движение происходит непрерывно и является главным свойством, которым обладают все виды материи. Между тем этот процесс может протекать не только при взаимодействии нескольких объектов, но и внутри самого вещества, обуславливая его видоизменения. Различают следующие формы движения материи:

Механическая - это перемещение предметов в пространстве (падение яблока с ветки, бег зайца).

Физическая - возникает, когда тело изменяет свои характеристики (например, агрегатное состояние). Примеры: тает снег, испаряется вода и т. д.
Химическая - видоизменение химического состава вещества (коррозия металла, окисление глюкозы)
Биологическая - имеет место в живых организмах и характеризует вегетативный рост, обмен веществ, размножение и др.

Социальная форма - процессы социального взаимодействия: общение, проведение собраний, выборов и т. д.
Геологическая - характеризует движения материи в земной коре и недрах планеты: ядре, мантии.

Все вышеназванные формы материи взаимосвязаны, взаимодополняют и взаимозаменяют друг друга. Они не могут существовать самостоятельно и не являются самодостаточными.

Свойства материи

Древняя и современная наука приписывали материи множество свойств. Самое распространённое и очевидное - это движение, однако имеются и другие универсальные свойства:

Она несотворима и неуничтожима. Это свойство означает, что любое тело или вещество какое-то время существует, развивается, перестаёт существовать как исходный объект, однако материя не прекращает своего существования, а просто превращается в другие формы.
Она вечна и бесконечна в пространстве.
Постоянное движение, преобразование, видоизменение.
Предопределённость, зависимость от порождающих факторов и причин. Данное свойство является своего рода объяснением происхождения материи как следствия определённых явлений.

Основные виды материи

Современные ученые выделяют три фундаментальных вида материи:

Вещество, обладающее определённой массой в состоянии покоя, представляет собой наиболее распространённый вид. Оно может состоять из частиц, молекул, атомов, а также их соединений, которые образуют физическое тело.
Физическое поле - это особая материальная субстанция, которая призвана обеспечивать взаимодействие объектов (веществ).
Физический вакуум - является материальной средой с наименьшим уровнем энергии.

Вещество

Вещество - вид материи, главным свойством которого является дискретность, то есть прерывистость, ограниченность. В его структуру входят мельчайшие частицы в виде протонов, электронов и нейтронов, из которых состоит атом. Атомы соединяются в молекулы, формируя вещество, которое, в свою очередь, образует физическое тело или текучую субстанцию.

Любое вещество обладает рядом индивидуальных характеристик, отличающих его от других: масса, плотность, температура кипения и плавления, структура кристаллической решётки. При определённых условиях разные вещества можно соединять и смешивать. В природе они встречаются в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. При этом конкретное агрегатное состояние лишь соответствует условиям содержания вещества и интенсивности молекулярного взаимодействия, но не является его индивидуальной характеристикой. Так, вода при разных температурах может принимать и жидкую, и твёрдую, и газообразную форму.

Физическое поле

Виды физической материи включают и такую компоненту, как физическое поле. Оно представляет собой некую систему, в которой материальные тела взаимодействуют. Поле является не самостоятельным объектом, а, скорее, носителем специфичных свойств образовавших его частиц. Таким образом, импульс, высвобожденный от одной частицы, но не поглощённый другой, является принадлежностью поля.

Физические поля - это реальные неосязаемые формы материи, обладающие свойством непрерывности. Их можно классифицировать по различным критериям:

В зависимости от полеобразующего заряда выделяют: электрическое, магнитное и гравитационное поля.
По характеру движения зарядов: динамическое поле, статистическое (содержит неподвижные относительно друг друга заряженные частицы).
По физической природе: макро- и микрополя (создаются движением отдельных заряженных частиц).
В зависимости от среды существования: внешнее (которое окружает заряженные частицы), внутреннее (поле внутри вещества), истинное (суммарное значение внешнего и внутреннего полей).

Физический вакуум

В XX веке в физике как компромисс между материалистами и идеалистами для объяснения некоторых явлений появился термин "физический вакуум". Первые приписывали ему материальные свойства, а вторые утверждали, что вакуум - это не что иное, как пустота. Современная физика опровергла суждения идеалистов и доказала, что вакуум - это материальная среда, также получившая название квантового поля. Число частиц в нём приравнивается к нулю, что, однако, не препятствует кратковременному возникновению частиц в промежуточных фазах. В квантовой теории уровень энергии физического вакуума условно принимается за минимальный, то есть равный нулю. Однако экспериментально доказано, что энергетическое поле может принимать как отрицательные, так и положительные заряды. Существует гипотеза, что Вселенная возникла именно в условиях возбуждённого физического вакуума.

До сих пор не до конца изучена структура физического вакуума, хотя и известны многие его свойства. Согласно дырочной теории Дирака, квантовое поле состоит из движущихся квантов с одинаковыми зарядами, неясным остаётся состав самих квантов, скопления которых перемещаются в виде волновых потоков.

В окружающей нас природе встречаются самые разнообразные вещества: вода, песок, дерево, сталь, камень и т. п. По-другому все вещества часто называют материей. Материя может находиться в одном из трех состояний это твердое, жидкое и газообразное состояние. Хотя имеется и четвертое состояние – плазма (ионизированный газ). Но мы не будем углубляться в теорию.

Но при изучении электротехники, как и многих других наук, возникает вопрос о строении самого вещества . Не зная строения вещества, нельзя глубоко уяснить основных явлений электротехники, радиотехники, ядерной физики и др. Исследования строения вещества были начаты тысячи лет назад и продолжаются до сих пор. Ученые все глубже проникают в «тайны» строения вещества, используя их на благо человечества.

В природе встречаются простые и сложные вещества.

Простые вещества, называемые химическими элементами, является кирпичиком в «постройке» материи. То есть элемент не делится на более простые субстанции химическим путем. На сегодняшний день известно 118 элементов, хотя в природе существует 94 (24 получены искусственным путем). Все эти элементы вы можете наблюдать в Периодической системе Д. И. Менделеева.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Простым веществом называется такое вещество, которое не может быть химически разложено.

Сложное вещество или соединение - это комбинация более двух химических элементов, которая может быть разделена химическим способом. Примером здесь можно привести воду, которая состоит из кислорода и водорода.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Сложное вещество - это такое вещество, которое можно химическим путем разложить на составляющие его простые вещества.

Когда простые вещества входят в состав сложного, то они теряют свои характерные химические свойства. Вода, например, резко отличается по своим свойствам от газов водорода и кислорода, из которых она состоит.

Все вещества, простые и сложные, состоят из атомов и молекул. Что же значат все эти определения?

Молекула - эго наименьшая частица вещества, которую можно отделить от тела и которая обладает всеми свойствами, присущими данному телу.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Молекула – это комбинация двух и более атомов.

Молекула простого вещества состоит из одинаковых атомов. Примерами простых веществ могут служить: медь, железо, кислород и т. д.

Молекула сложного вещества состоит из нескольких различных по своему строению атомов. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Молекулы любого вещества находятся в постоянном хаотическом движении. В зависимости от степени связи между молекулами мы различаем твердые, жидкие и газообразные вещества.

Наиболее тесную связь имеют молекулы твердого вещества, а наименее тесную - молекулы газообразного вещества.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Атом – это наименьшая элементарная частица, сохраняющая свойства элемента, в который она входит.

В атоме любого вещества количество электронов и протонов одинаковое, а значит, общий отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. Эти заряды уравновешиваются, и сам атом никаких электрических свойств не проявляет, или, как говорят, электрически нейтрален.

Если атом (или молекула) по какой-либо причине потеряет несколько электронов (при столкновении с другими атомами, при нагревании и т. д.), то он окажется положительно заряженным. Такой атом (или молекула) называется положительным ионом.

Наоборот, если у атома (или молекулы) окажется избыток электронов, то он станет отрицательно заряженным. Отрицательно заряженный атом (или молекула) называется отрицательным ионом.

Разноименно заряженные ионы притягиваются друг к другу и образуют электрически нейтральную частицу вещества.