Понятие вещество и физические поля в современной науке

Содержание 

Введение

1. Понятие вещество и его внутренняя энергия;
2. Понятие физическое поле;
3. Современные научные методы изучения вещества и поля.

Список литературы

Введение

Вопрос о том, как устроен  мир, является одним из тех, которые  причисляются к разряду вечных. На протяжении всей истории человеческого  общества он заставляет пытливую мысль  задумываться над тем, что же лежит  в основе строения и организации  мира внешнего и мира внутреннего.

Не существует человека –  как человека разумного – без  стремления познать и понять мир. И поэтому уже с самых первых минут своей истории он пытается не только разобраться в ближайшем окружении, но и заглянуть вглубь встречаемых им явлений; не только найти объяснение тому или иному факту, но и построить целостную систему взглядов, единую теорию, объясняющую сущность мира. Именно отсюда берет истоки самая общая из всех наук – философия, которая призвана находить ответы на самые глобальные, самые общие вопросы человеческого бытия.

Философы разных времен и  народов предлагали свои самые разнообразные, порой противоречащие друг другу  теории, с помощью которых, на их взгляд, человек мог бы разобраться  в сущности происходящего в мире. Эти теории либо дополнялись, либо отвергались  представителями прикладных наук в  зависимости от степени соответствия встречаемым в реальной жизни  явлениям и накопленным знаниям  о них; при этом количество накопленных  знаний постоянно увеличивалось, что  приводило, в свою очередь, к построению новых теорий и философских концепций. И процесс этот продолжается непрерывно до сих пор.

С определенного момента  философские теории стали укладываться в два основных направления: идеализм и материализм. Два направления, принципиально отличных друг от друга  и принципиально несовместимых друг с другом. Одно направление, как известно, считает основой мира духовную сущность, другое – материальную, ставя выбираемую из двух упомянутых сущностей в доминирующее положение относительно другой. Идеализм считает материю порождаемой духом, материализм – наоборот.

Но при всем глубочайшем  различии двух направлений, тем не менее, между ними существует чрезвычайно важное сходство: оба направления признают единство бытия, единство природы этого бытия, признают глубокую связь всех существующих явлений и приходят к выводу о существовании некоей субстанции, лежащей в основе всего: духа – в идеализме и материи – в материализме. Вполне естественно, что, в конце концов, усилия исследователей оказались направлены на поиски именно этой субстанции – от ее сущности и зависела теперь судьба философских направлений.

До недавнего времени  поиски духовной субстанции, которая  могла бы являться основой всего  сущего – по мнению представителей идеалистического направления, велись лишь умозрительным путем теоретических  построений и заканчивались, как  правило, признанием принципиальной невозможности  экспериментального подтверждения  ее существования в силу невозможности  ее познания. А это неизбежно возводило  искомую сущность в ранг сверхъестественной, иррациональной (говоря другими словами – трансцендентной). Естественно, что все подобные изыскания не имеют ничего общего со строгим научным подходом, невозможным без экспериментальных исследований и опирающимся на познаваемость предмета.

Лишь в последнее время  в этом направлении появились  некоторые сдвиги: привлечение пристального внимания ученых к так называемым аномальным явлениям позволило экспериментально и достоверно зафиксировать влияние  сознания человека на материальные объекты  – влияние, не объяснимое с точки  зрения известных материальных сил. При этом такая обнаруженная в  этих явлениях (и также экспериментально зафиксированная) сущность, как биополе, оказалась настолько близка по характеристикам  к феноменам, которые традиционно  признавались присущими духовному  миру, что сразу же начала трактоваться идеалистически настроенными философами в качестве подтверждения реальности духовной субстанции и ее первичности. [7]

Однако даже современные  теории, выстраиваемые философами-идеалистами  на базе вывода о духовности биополя, так или иначе, приводят к какой-либо форме трансцендентной духовной сущности, имеющей сверхъестественную непознаваемую природу. [4]

Значительно больших успехов в поисках первоосновы добилось материалистическое направление исследований, которое проникло к настоящему времени глубоко внутрь вещества и поля и показало неразрывную связь всех уровней материального мира, связь микромира с мегакосмосом.

К сожалению, широкий круг читателей сейчас обладает в лучшем случае лишь самыми общими представлениями  об исследованиях в этой области. Но раз мы ведем речь о глубоком единстве всего реально существующего (материального и духовного) мира и хотим доказать это единство на базе экспериментальных данных, нам не обойтись без использования  накопленного опыта. Поэтому возникает  необходимость обрисовать на общедоступном  языке сложившуюся к настоящему времени теорию строения материального мира – хотя бы в самых общих чертах.

Кроме того, отметим, забегая  вперед, что ученые в качестве побочного  результата своих исследований обнаружили целый ряд явлений на микроуровне, которые можно достаточно однозначно связать с существованием духовной субстанции...

Вопросами устройства материального  мира занимается довольно много естественных наук, среди которых и химия, и  биология, и геология, и астрономия. Но основной наукой, исследующей вопрос строения материи как таковой (а следовательно, и всего материального мира в целом), по праву считается физика. Именно физика к настоящему времени проникла в самую глубь основы окружающего нас мира. И именно физика во второй половине ХХ столетия со всей неоспоримостью доказала единство всего материального мира. [4]

1. Понятие вещество и его внутренняя энергия

Под понятием вещество в  современной физической науке принято  подразумевать как элементы периодической системы, либо их соединения, поскольку и первое, и второе имеют постоянный химический состав при наличии внешних условий воздействия на них. Любое вещество может находиться в жидком, твердом или газообразном состоянии. Совокупность данных элементов и их соединений во всех присущих им агрегатных состояниях образуют материю. Любое выбранное вещество и взаимодействующее с ним соседнее вещество (вещества) представляют систему.

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 характеризуется  массой. Однако пониманием внутренней энергии вещества U не может служить энергия его массы. Поддается измерению лишь изменение внутренней энергии. В современной физике принято считать, что, поскольку существует само вещество, то существует и его внутренняя энергия, и изменение этой энергии.

При постоянном давлении, когда  температура системы повышается или понижается, внутренняя энергия вещества соответственно увеличивается или уменьшается.

Энергия, поступившая вследствие изменения температуры от вещества в среду или наоборот, называется теплотой q.

При постоянной температуре, когда давление системы повышается или понижается, внутренняя энергия вещества изменяется так же, как и в случае изменения температуры: при повышении – увеличивается, при понижении – уменьшается.

Энергия, переданная веществу при сжатии называется работой сжатия, отданная при расширении – работой расширения (w).

Энергия вещества может также  изменяться и при постоянном давлении и при

постоянной температуре  системы, находясь в гомогенной фазе с другими

веществами того же агрегатного  состояния.

При быстром нагревании и  следующем за ним быстром охлаждении вещества можно получить стекло.

Атом является для элемента наименьшей единицей массы, энергия  которой

изменяется. Разновидностей атомов насчитывается около ста. При разделении

элементов на части каждая из них состоит из целого количества атомов. При

делении веществ, состоящих из нескольких элементов, каждая часть будет

содержать конечное целое  число молекул.

И энергия, и материя не возникают из ничего и не исчезают в ничто. Количество атомов материи, как носителя энергии, постоянно при любых физических или химических процессах.

Проследить данную закономерность можно на изолированной системе  веществ, не имеющей возможности энергообмена с другими системами. Энергия такой системы всегда будет постоянна, несмотря на то, что энергия каждого из веществ, ее составляющих, будет изменяться. Отсюда следует, что закон сохранения энергии относится не к отдельному веществу, но к системе, в которую оно входит. В отдельном веществе действует лишь закон сохранения материи.

В процессах изобарического и изотермического изменения  или растворения

вещества вещество как  таковое сохраняется. При химических реакциях сохраняются атомы исходных веществ

Открытие в 1842-м году закона сохранения энергии, согласно которому энергия не возникает и не исчезает, а претерпевает только превращения при химическом или физическом изменении веществ, окончательно отвергло идею perpetuum mobile.

Однако математик Гиббс  в 1876 году вводит понятие энтальпии:

                             H = U + PV, (1)                            

где U – внутренняя энергия вещества, P – внешнее давление, а V – объем вещества. Произведение давления на объем имеет размерность энергии, таким образом, уравнение Гиббса вполне корректно, и с его помощью можно описать возникновение энергии из ничто. Тем не менее, внутреннюю энергию вещества, эквивалентную его массе,                      

                         U = mc²  (2)                        

нельзя повысить путем  обычного умножения внешнего давления на объем, даже

если при этом мы выходим  на соразмерную энергии величину. Произведение

давления на объем лишь вносит ошибку в расчеты, поэтому  понятие энтальпии

серьезно в термодинамике  не рассматривается.

Индивидуальные вещества и смеси:

В химии принято разделять все объекты изучения на индивидуальные вещества (иначе — соединения) и их смеси. Под индивидуальным веществом понимают абстрактное понятие, обозначающее набор атомов, связанных друг с другом по определённому закону. Граница между индивидуальным веществом и смесью веществ довольно расплывчата, так как существуют вещества непостоянного состава, для которых, вообще говоря, нельзя предложить точной формулы. Кроме того, индивидуальное вещество остаётся абстракцией в силу того, что практически достижима лишь конечная чистота вещества. Это значит, что любой конкретный, реально существующий образец представляет собой смесь веществ, пусть и с подавляющим преобладанием одного из них. Несмотря на кажущуюся надуманность этого ограничения, зачастую чистота вещества играет ключевую роль в его свойствах. Так, знаменитая прочность титана проявляется только после того, как он очищен от кислорода определённого предела (менее сотых долей процента).

Неорганические  вещества:

• Соли
• Кислоты
• Основания
• Оксиды

Органические вещества:

• Амиды
• Амины
• Кетоны и альдегиды
• Кислоты и ангидриды
• Нитрилы
• Сероорганические соединения
• Спирты
• Углеводороды
• Замещенные углеводороды
• Простые эфиры
• Сложные эфиры
• Аминокислоты
• Тривиальные названия неорганических соединений

Агрегатные состояния

Основная статья: Агрегатные состояния

Все химические вещества в  принципе могут существовать в трёх агрегатных состояниях — твёрдом, жидком и газообразном. Так, лёд, жидкая вода и водяной пар — это твёрдое, жидкое и газообразное состояния  одного и того же химического вещества — воды H2O. Твёрдая, жидкая и газообразная формы не являются индивидуальными  характеристиками химических веществ, а соответствуют лишь различным, зависящим от внешних физических условий состояниям существования  химических веществ. Поэтому нельзя приписывать воде только признак  жидкости, кислороду — признак  газа, а хлориду натрия — признак  твёрдого состояния. Каждое из этих (и  всех других веществ) при изменении  условий может перейти в любое  другое из трёх агрегатных состояний.

При переходе от идеальных  моделей твёрдого, жидкого и газообразного  состояний к реальным состояниям вещества обнаруживается несколько  пограничных промежуточных типов, общеизвестными из которых являются аморфное (стеклообразное) состояние, состояние жидкого кристалла  и высокоэластичное (полимерное) состояние. В связи с этим часто пользуются более широким понятием «фаза».

В физике рассматривается  четвёртое агрегатное состояние  вещества — плазма, частично или  полностью ионизированное состояние, в котором плотность положительных  и отрицательных зарядов одинакова (плазма электронейтральна).

При некоторых условиях (обычно достаточно отличающихся от обычных) те или иные вещества могут переходить в такие особые состояния, как  сверхтекучее и сверхпроводящее.

Сверхтеку́честь — способность вещества в особом состоянии (квантовой жидкости), возникающем при понижении температуры к абсолютному нулю (термодинамическая фаза), протекать через узкие щели и капилляры без трения. До недавнего времени сверхтекучесть была известна только у жидкого гелия, однако в последние годы сверхтекучесть была обнаружена и в других системах: в разреженных атомных бозе-конденсатах, твёрдом гелии.

Сверхпроводи́мость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько десятков чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость — квантовое явление. Оно характеризуется также эффектом Мейснера, заключающемся в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника. Существование этого эффекта показывает, что сверхпроводимость не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом понимании. [1]

2. Понятие физическое поле

Материя представляет собой  непрерывно движущуюся энергетическую массу, которая представляется разнообразием  своих форм. Это и химические вещества, к которым принадлежат все  без исключения макроскопические тела и составляющие их частицы микромира  – молекулы и атомы, это и различные  физические поля: световое, тепловое, энергетическое поле материи, биополе органического  мира, поле мышления и электромагнитное поле. Однако, несмотря на разнообразие форм, материя имеет только одну – дискретную энергетическую структуру.

Элементарные частицы  атома находятся постоянно в  беспрерывном сложном движении и  представляют собой образования, состоящие  из более мелких или, иначе, из очень  тонких частиц, каждая из которых, в  свою очередь, состоит из очень мелких или из очень тонких частиц. В живом организме и в воде очень тонкие частицы – это образования, которые состоят из сверхтонких частиц материи.

Каждая элементарная частица  в результате своего движения беспрерывно  излучает и поглощает тонкие частицы, а они – излучают и поглощают  очень тонкие частицы. Притом при  излучении каждая очень тонкая частица  свободно проникает в промежутки между тонкими частицами, а тонкие частицы при излучении проникают  в промежутки между элементарными частицами.

Беспрерывное излучение  и поглощение более крупными частицами  более мелких частиц, их сложное  движение в определенной среде с  проявлением энергетической силы и  есть не что иное, как физическое поле. [2]

По́ле 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 этодифференциальные уравнения в частных производных). Другими словами, физическое поле представляется некоторой динамической физической величиной (называемой полевой переменной), определенной во всех точках пространства (и принимающей вообще говоря разные значения в разных точках пространства, к тому же меняющейся со временем).

В квантовой теории поля — полевая переменная может рассматриваться формально подобно тому, как в обычной квантовой механике рассматривается пространственная координата, и полевой переменной сопоставляется квантовый оператор соответствующего названия.

Полевая парадигма, представляющая всю физическую реальность, на фундаментальном уровне сводящейся к небольшому количеству взаимодействующих (квантованных) полей, является не только одной из важнейших в современной физике, но, пожалуй, безусловно главенствующей^[6].

Проще всего наглядно представить  себе поле (когда речь идет, например, о фундаментальных полях, не имеющих очевидной непосредственной механической природы) как возмущение (отклонение от равновесия, движение) некоторой (гипотетической или просто воображаемой) сплошной среды, заполняющей всё пространство. Например, как деформацию упругой среды, уравнения движения которой совпадают с или близки к полевым уравнениям того более абстрактного поля, которое мы хотим наглядно себе представить. Исторически такая среда называлась эфиром, однако впоследствии термин практически полностью вышел из употребления, а его подразумеваемая физически содержательная часть слилась с самим понятием поля. Тем не менее, для принципиального наглядного понимания концепции физического поля в общих чертах такое представление полезно, с учетом того, что в рамках современной физики такой подход обычно принимается по большому счету лишь на правах иллюстрации.

Физическое поле, таким  образом, можно характеризовать  как распределенную динамическую систему, обладающую бесконечным числом степеней свободы. [3]

Что представляет собой энергетическая сила поля и что такое энергия?

В природе существует только один вид энергии – это движение различных форм материи, начиная  от сверхтонких частиц и до планет и систем. Другого не дано! А вот  физических полей имеется несколько, и определяются они частицами, принимающими участие в излучении и поглощении. Энергетическая же сила поля, или просто энергия поля, определяется в первую очередь мощностью излучаемых и поглощаемых частиц: их количеством, частотой, амплитудой и движением.

Для более наглядного определения  частиц материи и условного разделения их по размерам иногда пользуются дольными единицами метрической системы  мер и по их приставкам придают  соответствующие им названия, как, например, это широко распространено для "микрочастиц":

• мелкие или тонкие частицы – наночастицы – образуют наномир;
• очень мелкие или очень тонкие частицы – пикочастицы – образуют пикомир;
• сверхмелкие или сверхтонкие частицы – фемточастицы – образуют фемтомир.

Во взаимодействии физических полей принимают участие только те частицы, которые имеют отношение  к данному процессу или явлению. При этом параметры взаимодействия физических полей: частота, скорость излучения  и поглощения частиц, глубина их проникновения, последовательность и  форма движения определяются не только процессом или явлением, но и участвующим веществом.

При взаимодействии физических полей частицы никогда не покидают свое физическое поле. [4]

Если одно тело должно войти  в другое, но во взаимодействии участвуют  предметы или тела с большой разницей в их энергетической силе, то наблюдается  проникающий эффект – тело с большей  энергией проникает свободно в другое тело.

При взаимодействии физических полей может наблюдаться отталкивающий  эффект. Подобное явление вызывается встречным движением частиц.

В результате взаимодействия и согласования энергетических полей отдельных молекул образуется химическое вещество, но со своим энергетическим полем, характеристика которого соответствует новому образованию.

Органические и газообразные соединения, как правило, состоят  из молекул. Что же касается твердых  и жидких веществ, не все имеют  молекулярное строение, но понятие  молекулы у них формально сохраняется. В кристалле, например, условная молекула соответствует свойствам всего  кристалла.

Однако любое вещество имеет свое единое энергетическое поле с характеристикой, которая соответствует  веществу. Молекула – это конечная система, к ней нельзя ничего добавить или отнять без изменения химических свойств. Следовательно, молекула не теряет своего значения в любом случае, обладая своим энергетическим полем, способствует образованию единого  энергетического поля любого вещества.

3. Современные научные методы изучения вещества и поля

Привлечение скрытых форм движения материи позволяет:

• понять структуры материальных образований от элементарных частиц вещества до галактик;
• не только понять суть основных фундаментальных взаимодействий, но и предсказать новые;
• вскрыть механизм самых разнородных физических явлений.

Сопоставление общих свойств  макро- и микромира показало, что  мировое пространство заполнено  материальной средой, обладающей свойствами реального газа. Эта среда – эфир, элемент среды – амер (по Демокриту). Эфир является строительным материалом для всех видов вещественных образований, начиная от элементарных частиц вещества и кончая звездами и галактиками. Физические поля представляют собой различные формы движения эфира. [5]

При определении численных  значений параметров эфира возможно и целесообразно использовать аппарат  обычной газовой механики. Произведенные  расчеты позволили определить основные параметры эфира в околоземном  пространстве – его плотность, давление, температуру, скорость звука, коэффициент  температуропроводности, теплоемкость, кинематическую вязкость (коэффициент внутреннего трения), показатель адиабаты, количество энергии в единице объема, среднюю длину свободного пробега, среднюю скорость теплового движения.

Анализ форм движения эфира  как газоподобного тела показал, что элемент эфира – амер – обладает единственной формой движения – равномерным поступательным движением в пространстве. Элементарный объем эфира обладает тремя формами движения – диффузионной, поступательной и вращательной; при этом: 1) диффузионная форма обеспечивает три вида движения – перенос плотности, перенос количества движения, перенос энергии; 2) поступательная форма – два вида движения – ламинарное течение и продольное колебательное движение; 3) вращательная форма – два вида движения – разомкнутое (типа смерча) и замкнутое (типа тороида). Таким образом, имеется всего семь видов движения эфира. Все указанные формы и виды движения описываются известными математическими зависимостями газовой механики.

Пренебрежение внутренними  особенностями строения амеров и внутренними формами движения материи на уровне движения материи, более глубоком, чем эфир, является временным, гносеологическим приемом. Амер является сложным образованием, однако исследование следующих уровней организации материи является задачей последующих этапов.

Единственным видом движения газа, обеспечивающим локализацию (сбор и удержание) газа повышенной плотности  в пространстве, является замкнутое  вращательное движение. Условием возникновения  этого вида движения является градиентное  течение, возникающее, например, в результате соударения двух струй газа. В процессе формирования тороидальные вихри способны делиться, образуя все более мелкие тороидальные вихри.

Наиболее устойчивой формой тороидальных вихрей является винтовой тороидальный вихрь, обладающий, помимо тороидального, еще и кольцевым  движением – вращением вокруг оси кольца тороида. Каждый винтовой тороидальный вихрь окружен пограничным слоем эфира. Это обеспечивает устойчивость винтового вихревого тороида и длительность его существования.

Винтовой тороидальный вихрь  газа в процессе своего образования  концентрирует в себе газ и  уплотняет его. Структура тороидального  вихря – трубообразная. Во внутренней полости тороида плотность и давление эфира понижены, стенки торроида и керн существенно уплотнены.

Винтовой тороидальный вихрь  газа в процессе образования концентрирует  в себе энергию окружающей среды  и является, таким образом, природным  механизмом по преобразованию потенциальной  энергии газовой среды в кинетическую энергию вращения вихря.

В окрестностях винтового  тороидального вихря возникают  различные формы движения: термодиффузионное, описываемое уравнением теплопроводности; тороидальное, описываемое законом Био-Савара; кольцевое, описываемое теоремой Остроградского-Гаусса.

Сопоставление свойств газового винтового тороидального вихря  со свойствами протона показывает возможность  интерпретации протона как винтового  тороидального вихря эфира, а  нейрона – как того же вихря, но окруженного дополнительным пограничным  слоем толщиной порядка 0,1 Ферми, гасящего кольцевое движение. Скорость поступательного  движения эфира в стенках протона  относительно окружающего эфира  значительно превышает скорость света.

Магнитное поле может быть интерпретировано как тороидальный поток эфира, создаваемый винтовым тороидальным вихрем в окружающем этот вихрь эфире.

Электрическое поле может  быть интерпретировано как кольцевое  движение эфира в окрестностях того же вихря. Полярность электрического поля есть ориентация кольцевого движения эфира относительно тороидального.