Структурные уровни организации материи. 5
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Филиал ГОУ ВПО
ВСЕРОССИЙСКОГО ЗАОЧНОГО ФИНАНСОВО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА
в г. Архангельске
Кафедра
Философии, истории и права
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по дисциплине «Концепции современного естествознания»
Тема№
9 «Структурные уровни
организации материи»
| студента | Гайдук Екатерины Владимировны |
| Номер личного дела | 09УББ00482 |
| Специальность | Бухгалтерский учет |
| Курс | 1 |
| Группа | город |
| Форма обучения | день |
| Руководитель | К.т.н., доцент Шубина Т.Ф. |
Архангельск,
2009
- Введение
с.3 - Роль системных
представлений в анализе структурных
уровней организации материи.
с.4 - Макро – микро
– и мега – миры.
с.8 - Классическое и современное понимание концепции макромира. с.9
- Заключение.
с.13 - Список литературы
с.14
1.Введение
Одна из важнейших задач естествознания – создание естественно научной картины мира в виде целостной упорядоченной системы. Для решения используются общие абстрактные понятия: материя, движение, время и пространство. Материя – это все, что прямо или косвенно действует на органы чувств человека и другие объекты. Окружающий нас мир, все существующее вокруг нас представляет собой материю, она тождественна реальности. Неотъемлемое свойство материи – движение. Без движения нет материи, и наоборот. Движение материи – это любые изменения, происходящие с материальными объектами в результате их взаимодействий. Материя не существует в бесформенном состоянии: из нее образуется сложная иерархическая система материальных объектов различных масштабов и сложности.
Отличительная
особенность естественно-
Вещество – основной вид материи, обладающий массой. К вещественным объектам относятся элементарные частицы, атомы, молекулы и многочисленные образованные из них материальные системы.
Физическое
поле – особый вид материи, обеспечивающий
физическое взаимодействие материальных
объектов и их систем. К физическим
полям относятся
Физический вакуум – низшее энергетическое состояние квантового поля. Этот термин введен в квантовой теории поля для объяснения некоторых
микропроцессов.
Среднее число частиц (квантов поля) в
вакууме равно нулю, однако в нем могут
рождаться виртуальные частицы (т.е. частицы
в промежуточных состояниях, существующие
короткое время). Виртуальные частицы
влияют на физические процессы. Предполагается,
что из физического вакуума, находящегося
в возбужденном состояния, родилась Вселенная.[2]
2. Роль системных представлений в анализе структурных уровней организации материи
Современное научное знание основано на структурности материи и системном подходе. Система – это определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к другим объектам или условиям. В понятие системы входит совокупность элементов связей между ними. Под элементом системы понимается компонент системы, который далее, внутри данной системы, рассматривается как неделимый, под структурной организации материи – ее иерархическое строение – любой объект от микрочастиц до организмов, планет и галактик является частью более сложного образования и сам может считаться таковым, т.е. состоящим из неких составных частей. Доступная для наблюдателя часть мира простирается в пространстве от 10-17 до 1026 м, а во времени до 2*1010 лет. [4]
Устойчивые связи элементов определяют упорядоченность системы. Существует два типа связей между элементами системы – по «горизонтали» и по «вертикали».
Связи по «горизонтали» - это связи координации между однопорядковыми элементами. Они носят коррелирующий характер: ни одна часть систем не может измениться без того, что бы ни изменились другие части.
Связи по «вертикали» - это связи субординации, т.е. соподчинения элементов. Они выражают сложное внутреннее устройство системы, где одни части по своей значимости могут уступать другим и подчиняться им. Вертикальная структура включает уровни организации системы, а также их иерархию.
Исходным пунктом всякого системного исследования является представления о целостности изучаемой системы.
Целостность системы означает, что все ее составные части, соединяясь вместе, образуют уникальное целое, обладающее новыми интегративными свойствами.
Свойства системы – не просто сумма свойств ее элементов, а нечто новое, присущее только системе в целом. Например, молекула Н2О. Сам по себе водород, два атома которого образуют данную систему, горит, а кислород (в нее входит один атом) поддерживает горение. Система же, образовавшаяся из этих элементов, вызвала к жизни совсем иное, а именно – интегрированное свойство: вода гасит огонь. Наличие свойств, присущих системе в целом, но не ее частям, определяется взаимодействием элементов.
Итак, согласно современным научным взглядам на природу, все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы.
В естественных науках выделяются два больших класса материальных систем: системы неживой природы и системы живой природы.
В неживой природе в качестве структурных уровней организации материи выделяют элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, физический вакуум, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы – галактики, системы галактик – метагалактику.
В
живой природе к структурным
уровням организации материи
относят системы доклеточного уровня
– нуклеиновые кислоты и белки;
клетки как особый уровень биологической
организации, представленные в форме
одноклеточных организмов и элементарных
единиц живого вещества; многоклеточные
организмы растительного и
В
природе все взаимосвязано, поэтому
можно выделить такие системы, которые
включают элементы как живой, так
и неживой природы –
Естественные науки, начав изучение материального мира с наиболее простых непосредственно воспринимаемых человеком материальных объектов, переходят далее к изучению сложнейших объектов глубинных структур материи, выходящих за пределы человеческого восприятия и несоизмеримых с объектами повседневного опыта. [1]
До конца XIX в мельчайшей структурной единицей материи считались атомы химических элементов. Открытие Д.И. Менделеевым в 1869г периодического закона подтолкнуло ученых к выводу о существовании более мелких частиц, свойства которых обусловливают свойства атомов, в том числе и периодический закон их взаимосвязей. В 1897г английский физик Дж.Томсон открыл электрон – первую элементарную частицу. В 1932 г после открытия нейтрона картина строения веществ казалось в общих чертах окончательно выясненной. Известных к тому времени частиц (протона, нейтрона и электрона) полностью хватало для того чтобы объяснить строение и свойства всех веществ.
Открытие нового структурного уровня строения материи заложило основы функции твердого тела. Были поняты строения металлов,
диэлектриков,
полупроводников, их термодинамические,
электрические и магнитные
Применяя системный подход, естествознание не просто выделяет типы материальных систем, а раскрывает их связь и соотношение.
В науке выделяют три уровня строения материи: макромир, микромир и мегамир. И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро-, мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.
В настоящее время в области фундаментальной теоретической физики разрабатываются концепции, согласно которым объективно существующий мир не исчерпывается материальным миром, воспринимаемым нашими органами чувств или физическими приборами. Авторы данных концепций пришли к следующему выводу: наряду с материальным миром существует реальность высшего порядка, обладающая принципиально иной природой по сравнению с реальностью материального мира. С их точки зрения мир высшей реальности определяет структуру и эволюцию материального мира. Утверждается, что объектами мира высшей реальности выступают не материальные системы, как в микро-, макро- и мегамирах, а некие идеальные физические и материальные структуры, которые проявляются в материальном мире в виде естественно-научных законов. Эти структуры выступают как носители идеи необходимости, общезначимости и регулярности, выражающих сущность объективных физических законов.
Но
одних законов, порожденных такого
рода физическими и математическими
структурами, явно недостаточно для
существования материального
«поведение» и эволюции материальных объектов.
С точки зрения указанного подхода, каждая материальная система является воплощением некоторой идеальной структуры, а ее эволюция определяется некой программой. Программа предполагает определенную направленность развития, т.е. его цель. Поскольку любая программа не может возникнуть сама собой, а является продуктом творческого акта, то как считают некоторые физики-теоретики, Вселенной присущ творческий Разум. С их точки зрения материальный мир есть лишь самый «нижний» слой бытия, взаимодействующий со всеми другими слоями и определяемый ими. [1]
3.Маро-, микро-, и мега- миры.
Макромир – это мир объектов, соизмеримых с человеческим опытом. Размеры макрообъектов измеряются от долей миллиметра до сотен километров, а время от секунд до лет. Поведение же макроскопических тел, состоящих из микрочастиц, описывается классической механикой или электродинамикой. Материя может пребывать как в виде вещества так, и виде поля, причем вещество дискретно, а поле – непрерывно. [4]
К области макромира относятся те процессы, для которых постоянную Планка можно считать бесконечно малой величиной, которой допустимо пренебречь, а скорость света – бесконечно большой величиной, позволяющей отвлечься от временной длительности передачи сигналов, считать взаимодействия систем мгновенными как бы безвременными.[3]
Микромир – мир очень малых микрообъектов, размеры которых от 10-10 до 10-18 м, время жизни может быть до 10-24 с. Испускание и поглощение света происходит порциями, квантами, получившими название фотонов. Этот мир – мир от атомов до элементарных частиц. При этом для элементарных частиц свойственен корпускулярно-волновой дуализм, т.е. любой микрообъект обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.
Описание макромира опирается на принципы дополнительности Н.Бора и соотношения неопределенности Гейзенберга. Мир элементарных частиц, которые долго считали элементарными «кирпичиками», подчиняются законам квантовой механики, квантовой электродинамики, квантовой хромодинамаки. Квантовое поле носит дискретный характер.[4]
Специфика микромира наиболее ярко отражена в разделах физики, основанных на квантовой механике, в том релятивистской, учитывающей одновременно и квантовость, и относительность процессов в микромире их структурных, пространственно-временных и энергетических характеристик.[3]
Мегамир – мир объектов космического масштаба: планеты, звезды, галактики, Метагалактика. Кроме них во Вселенной присутствуют материя в виде излучения и диффузная материя. Последняя может занимать огромные пространства в виде гигантских облаков газа и пыли – газо-пылевых туманностей. В звездах сосредоточено 97% вещества нашей Галактики – Млечный путь. В других галактиках распределение материи примерно такое же. В Галактике почти все звезды являются двойными, а всего их более 120млрд. Диаметр Галактики порядка 100 тыс.св.лет.Галактики, наблюдаемые с Земли как туманные пятнышки имеют разную форму: спиральную, неправильную, эллиптическую. Они образуют скопления из нескольких отдельных систем. Систему галактик называют Метагалактикой. Мегамир описывается законами классической механики с поправками которые были внесены теорией относительности. [4]
4.Классическое и современное понимание концепции макромира
Донаучный, или натурфилософский этап, охватывает период от античности до становления экспериментального естествознания в XVI—XVII вв. Наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов.
Наиболее значимой для последующего развития естественных наук была концепция дискретного строения материи атомизм, согласно которому все тела состоят из атомов — мельчайших в мире частиц. Со становления классической механики начинается научный этап изучения природы. Поскольку современные научные представления о структурных уровнях организации материи были выработаны в ходе критического переосмысления представлений классической науки, применимых только к объектам макроуровня, то начинать нужно с концепций классической физики. Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI в., когда Г. Галилеем была заложена основа первой в истории науки физической картины мира — механической. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методологию нового способа описания природы — научно-теоретического. Суть его заключалась в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические характеристики, которые становились предметом научного исследования. Галилей писал: «Никогда я не стану от внешних тел требовать чего-либо иного, чем величина, фигура, количество и более или менее быстрого движения для того, чтобы объяснить возникновение вкуса, запаха и звука».
И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система. В рамках механической картины мира, разработанной И. Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц — атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса. Существенной характеристикой ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовой геометрии,
которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи. Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий.
Механистический подход к описанию природы оказался необычайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две области — оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины мира.
Наряду с механической корпускулярной теорией, осуществлялись попытки объяснить оптические явления принципиально иным путем, а именно - на основе волновой теории, сформулированной X. Гюйгенсом. Волновая теория устанавливала аналогию между распространением света и движением волн на поверхности воды или звуковых волн в воздухе. В ней предполагалось наличие упругой среды, заполняющей все пространство, - светоносного эфира. Исходя из волновой теории X. Гюйгенс успешно объяснил отражение и преломление света.
Другой областью физики, где механические модели оказались неадекватными, была область электромагнитных явлений. Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика Дж. К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи
и положили начало электромагнитной картине мира.
Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспытатель X. К. Эрстед, который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, М. Фарадей обнаружил, что временное изменение в магнитных полях создает электрический ток.
М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Его работы стали исходным пунктом исследований Дж. К. Максвелла, заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. Максвелл «перевел» модель силовых линий Фарадея в математическую формулу. Понятие «поле сил» первоначально складывалось как вспомогательное математическое понятие. Дж. К. Максвелл придал ему физический смысл и стал рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность: «Электромагнитное поле — это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии».
Исходя из своих исследований, Максвелл смог заключить, что световые волны представляют собой электромагнитные волны. Единая сущность света и электричества, которую М. Фарадей предположил в 1845 г., а Дж. К. Максвелл теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментально подтверждена немецким физиком Г. Герцем в 1888 г.
После экспериментов Г. Герца в физике окончательно утвердилось понятие поля не в качестве вспомогательной математической конструкции, а как объективно существующей физической реальности. Был открыт качественно новый, своеобразный вид материи.
Итак, к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в
двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.
В результате же последующих революционных открытий в физике в конце прошлого и начале нынешнего столетий оказались разрушенными представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи.[5]
Все
вышеизложенные революционные открытия
в физике перевернули ранее существующие
взгляды на мир. Исчезла убежденность
в универсальности законов
классической механики, ибо
разрушились прежние представления
о неделимости атома, о постоянстве
массы, о неизменности химических
элементов и т.д. Теперь уже вряд
ли можно найти физика,
который считал бы, что все
проблемы его науки можно решить
с помощью механических понятий
и уравнений. Рождение и развитие
атомной физики, таким образом,
окончательно сокрушило прежнюю
механистическую картину мира.
Но классическая механика Ньютона
при этом не исчезла. По сей
день она занимает почетное
место среди других естественных
наук. С ее помощью, например, рассчитывается
движение искусственных спутников
Земли, других космических объектов
и т.д. Но трактуется она
теперь как частный, случай
квантовой механики, применимый
для медленных движений и больших
масс объектов макромира.[6]
1. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратников. Концепции современного естествознания. М.:ЮНИТИ-ДАНА, 2001.
2. С.Х. Карненков. Основные концепции естествознания. М.: высшее образование. 2007.
3. Е.Ф.
Солонов, Концепции
4. Т.Я.
Дубкищева. Концепции
5. В.Н. Лавриненко,
В.П. Ратников. Концепции современного
естествознания. М.:ЮНИТИ-ДАНА, 2008.
14
