Структурні рівні організації матерії

19

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Волинський національний університет імені Лесі Українки

Географічний факультет

Кафедра географії

Індивідуальне завдання з курсу «Концепції сучасного природознавства» на тему:

«Структурні рівні організації матерії»

Виконав:

Студент 42 групи

Герасимчук Олександр

Перевірила:

Павловська Т. С.

Луцьк - 2011

Зміст

         Вступ ……………………………………………………………………… 3

1. Поняття про матерію …………………………………………………….. 4

2. Історія виникнення погляду на матерію ………………………………... 6

3. Рівні організації матерії ………………………………………………….. 7

3.1. Мікросвіт ………………………………………………………………... 7

3.2. Макросвіт ……………………………………………………………….. 8

3.3. Мегасвіт ………………………………………………………………... 10

    Висновки …………………………………………………………………. 17

    Список використаних джерел …………………………………………... 18

    Додаток …………………………………………………………………… 19

Вступ

            У ході виконання цієї індивідуальної роботи ми за допомогою літературних та інтернет-джерел розглянемо, опишемо, проаналізуємо та охарактеризуємо структурні рівні організації матерії.

            Отож, об’єктом нашого дослідження є власне самі структурні рівні організації матерії.

            Предметом дослідження виступає розгляд, опис та аналіз структирних рівнів організації матерії.

            Мета роботи полягає у вивченні концепції структурної організації матерії.

            Для досягнення мети слід виконати такі завдання:

1.      Розглянути поняття про матерію;

2.      Описати історію виникнення погляду на матерію;

3.      Охарактеризувати основні рівні організації матерії.

            Отже, весь оточуючий нас світ являє собою рухому матерію в її нескінченно різноманітних формах і проявах, з усіма її властивостями, зв'язками і відносинами. Розглянемо докладніше, що ж таке матерія, а так само і її структурні рівні.

1.      Поняття про матерію

           Матерія (лат. Materia – речовина): «... філософська категорія для позначення об'єктивної реальності, яка дана людині у її відчуттях, яка копіюється, фотографується, відображається нашими відчуттями, існуючи незалежно від нас ».

           Матерія – це нескінченна безліч всіх існуючих у світі об'єктів і систем, субстрат будь-яких властивостей, зв'язків, відносин і форм руху. Матерія включає в себе не тільки всі безпосередньо спостережувані об'єкти і тіла природи, а й усі ті, які в принципі можуть бути пізнані в майбутньому на основі вдосконалення засобів спостереження і експерименту. З точки зору марксистсько-ленінського розуміння матерії, вона органічно пов'язана з діалектико-матеріалістичним рішенням основного питання філософії; воно виходить з принципу матеріальної єдності світу, первинності матерії по відношенню до людської свідомості та принципу пізнаванності світу на основі послідовного вивчення конкретних властивостей, зв'язків і форм руху матерії.

           В основі уявлень про будову матеріального світу лежить системний підхід, згідно з яким будь-який об'єкт матеріального світу, будь то атом, планета, організм чи галактика, може бути розглянутий як складне утворення, що включає в себе складові частини, організовані в цілісність. Для позначення цілісності об'єктів в науці було вироблено поняття системи [8].

           Матерія як об'єктивна реальність включає в себе не тільки речовину в чотирьох її агрегатних станах (твердому, рідкому, газоподібному, плазмовому), а й фізичні поля (електромагнітне, гравітаційне, ядерне і т. д.), а також їх властивості, відносини, продукти взаємодії. Входить в неї і антиречовина (сукупність античастинок: позитрон, або антиелектрон, антипротон, антинейтрон), нещодавно відкрита наукою. Антиречовина ні в якому разі не антиматерія. Антиматерії взагалі бути не може. Далі «не» (не-матерії) заперечення тут не йде [1].

           Рух і матерія нерозривні і органічно пов'язані один з одним: немає руху без матерії, як немає і матерії без руху. Інакше кажучи, немає в світі незмінних речей, властивостей і відносин. «Все тече», все змінюється. Одні форми або види змінюються іншими, переходять в інші – рух постійний. Спокій – діалектично зникаючий момент в безперервному процесі зміни, становлення. Абсолютний спокій рівнозначний смерті, а вірніше –неіснуванню. Можна зрозуміти в зв'язку з цим А. Бергсона, що розглядав всю реальність як неподільну рухому безперервність. Або А. Н. Уайтхеда, для якого «реальність є процес». І рух, і спокій з визначеністю фіксуються лише по відношенню до якоїсь системи відліку. Так, стіл, за яким пишуться ці рядки, спокійний щодо даної кімнати, вона, у свою чергу, – щодо даного будинку, а сам будинок – відносно Землі. Але разом із Землею стіл, кімната і дім рухаються навколо земної осі і навколо Сонця.

           Рухома матерія існує в двох основних формах – у просторі і в часі. Поняття простору служить для вираження властивості протяжності і порядку співіснування матеріальних систем та їх станів. Воно об'єктивне, універсальне (загальна форма) і необхідне. У понятті часу фіксується тривалість та послідовність зміни станів матеріальних систем. Час об'єктивний, неминучий й безповоротний. Слід розрізняти філософські та природничо-наукові уявлення про простір і час. Власне філософський підхід тут представлений чотирма концепціями простору і часу: субстанційною і реляційною, статичною та динамічною [4].

2.      Історія виникнення погляду на матерію

           Основоположником погляду на матерію, яка складається з дискретних частинок був Демокріт.  Демокріт заперечував нескінченну подільність матерії. Атоми різняться між собою тільки формою, порядком взаємного проходження, і положенням в порожньому просторі, а також величиною і залежать від величини ваги. Вони мають нескінченно різноманітні форми з западинами або опуклостями. Демокріт називає атоми також «фігурами» або «відікамі», з чого випливає, що атоми Демокріта є максимально малими, далі неподільними фігурами або статуетками. У сучасній науці багато сперечалися про те, чи є атоми Демокріта фізичними або геометричними тілами, однак сам Демокріт ще не дійшов до розрізнення фізики та геометрії. З цих атомів, що рухаються в різних напрямках, з їх «вихору» з природної необхідності шляхом зближення взаємоподібних атомів утворюються як окремі цілі тіла, так і весь світ; рух атомів вічний, а число світів, що виникають нескінченне [7].

           Світ доступної людині об'єктивної реальності постійно розширюється. Концептуальні форми вираження ідеї структурних рівнів матерії різноманітні.

3.      Рівні організації матерії

           Сучасна наука виділяє в світі три структурних рівні організації матерії (мікро-, макро-, мегасвіт).

            Мікросвіт – це молекули, атоми, елементарні частинки – світ гранично малих мікрооб'єктів, що безпосередньо не спостерігаються, просторова розмірність яких обчислюється від 10-8 до 10-16 см, а час життя – від нескінченності до 10-24 с.

         Макросвіт – світ стійких форм і співрозмірних людині величин, а також кристалічні комплекси молекул, організми, співтовариства організмів; світ макрооб'єктів, розмірність яких співвідносна з масштабами людського досвіду: просторові величини виражаються в міліметрах, сантиметрах і кілометрах, а час – у секундах, хвилинах, годинах, роках.

           Мегасвіт – це планети, зоряні комплекси, галактики, метагалактики – світ величезних космічних масштабів і швидкостей, відстань в якому вимірюється світловими роками, а час існування космічних об'єктів – мільйонами і мільярдами років.

           І хоча на цих рівнях діють свої специфічні закономірності, мікро-, макро - і мегасвіти найтіснішим чином взаємопов'язані.

           На мікроскопічному рівні фізика сьогодні займається вивченням процесів, що розігруються на довжинах порядку 10 у мінус вісімнадцятому ступені см, за час – порядку 10 у мінус двадцять другому ступені с. У мегасвіті вчені за допомогою приладів фіксують об'єкти, віддалені від нас на відстані близько 9-12 млрд. світлових років.

          3.1. Мікросвіт. Демокрітом в античності була висунута Атомістична гіпотеза будови матерії, пізніше, у XVIII ст. була відроджена хіміком Дж. Дальтоном, який прийняв атомну вагу водню за одиницю і порівняв з ним атомні ваги інших газів. Завдяки працям Дж. Дальтона стали вивчатися фізико-хімічні властивості атома. У XIX ст. Д. І. Менделєєв побудував систему хімічних елементів, засновану на їх атомній вазі.

           У фізику уявлення про атоми як про останні неподільні структурні елементи матерії прийшли з хімії. Власне фізичні дослідження атома починаються в кінці XIX ст., коли французьким фізиком А. А. Беккерелем було відкрито явище радіоактивності, яке полягало в мимовільному перетворенні атомів одних елементів в атоми інших елементів.

           Історія дослідження будови атома почалася в 1895 р. Завдяки відкриття Дж. Томсоном електрона – негативно зарядженої частинки, що входить до складу всіх атомів. Оскільки електрони мають негативний заряд, а атом в цілому електрично нейтральний, то було зроблено припущення про наявність крім електрона і позитивно зарядженої частинки. Маса електрона склала за розрахунками 1/1836 маси позитивно зарядженої частинки.

           Існувало кілька моделей будови атома.

            У 1902 р. англійський фізик У. Томсон (лорд Кельвін) запропонував першу модель атома – позитивний заряд розподілений в досить великій області, а електрони вкраплені в нього, як «родзинки в пудинг».

           У 1911 р. Е. Резерфорд запропонував модель атома, яка нагадувала сонячну систему: в центрі знаходиться атомне ядро, а навколо нього за своїми орбітами рухаються електрони.

           Ядро має позитивний заряд, а електрони – негативний. Замість сил тяжіння, що діють в Сонячній системі, в атомі діють електричні сили. Електричний заряд ядра атома, чисельно рівний порядковому номеру в періодичній системі Менделєєва, врівноважується сумою зарядів електронів – атом електрично нейтральний.

           Обидві ці моделі виявилися суперечливі [10].

           У 1913 р. великий датський фізик Н. Бор застосував принцип квантування при вирішенні питання про будову атома і характеристиці атомних спектрів.

           Модель атома Н. Бора базувалася на планетарній моделі Е. Резерфорда і на розробленої ним самим квантової теорії будови атома. Н. Бор висунув гіпотезу будови атома, засновану на двох постулатах, абсолютно несумісних з класичною фізикою:

           1) у кожному атомі існує кілька стаціонарних станів (кажучи мовою планетарної моделі, кілька стаціонарних орбіт) електронів, рухаючись по яких електрон може існувати, не випромінюючи;

           2) при переході електрона з одного стаціонарного стану в інший атом випромінює чи поглинає порцію енергії.

           Зрештою точно описати структуру атома на підставі уявлення про орбіти точкових електронів принципово неможливо,оскільки таких орбіт насправді не існує.

           Теорія Н. Бора являє собою якби прикордонну смугу першого етапу розвитку сучасної фізики. Це останнє зусилля описати структуру атома на основі класичної фізики, доповнюючи її лише невеликим числом нових припущень.

           Складалося враження, що постулати Н. Бора відбивають якісь нові, невідомі властивості матерії, але лише частково. Відповіді на ці питання були отримані в результаті розвитку квантової механіки. З'ясувалося, що атомну модель Н. Бора не слід розуміти буквально, як це було спочатку. Процеси в атомі в принципі не можна наочно представити у вигляді механічних моделей за аналогією з подіями в макросвіті. Навіть поняття простору і часу в існуючій в макросвіті формі виявилися невідповідними для опису мікрофізічних явищ. Атом фізиків-теоретиків все більше і більше ставав абстрактно-неспостережною сумою рівнянь.

           3.2. Макросвіт. В історії вивчення природи можна виділити два етапи: донауковий і науковий.

           Донауковий, або натурфілософський, охоплює період від античності до становлення експериментального природознавства в XVI-XVII ст. Спостережувані природні явища пояснювалися на основі умоглядних філософських принципів.

           Найбільш значущою для подальшого розвитку природничих наук булла концепція дискретної будови матерії (атомізм), згідно з яким всі тіла складаються з атомів – найдрібніших частинок у світі.

           Зі становлення класичної механіки починається науковий етап вивчення природи.

           Оскільки сучасні наукові уявлення про структурні рівні організації матерії були вироблені в ході критичного переосмислення уявлень класичної науки, які можна застосувати тільки до об'єктів макрорівня, то починати потрібно з концепцій класичної фізики.

           Формування наукових поглядів на будову матерії відноситься до XVI ст., коли Г. Галілеєм було закладено основу першої в історії науки фізичної картини світу – механічної. Він не просто обгрунтував геліоцентричну систему М. Коперника і відкрив закон інерції, а й розробив методологію нового способу опису природи – науково-теоретичного. Суть його полягала в тому, що виділялися лише деякі фізичні і геометричні характеристики, які ставали предметом наукового дослідження [8].

            І. Ньютон, спираючись на праці Галілея, розробив строгу наукову теорію механіки, яка описує і рух небесних тіл, і рух земних об'єктів одними й тими самими законами. Природа розглядалася як складна механічна система.

           У рамках механічної картини світу, розробленої І. Ньютоном і його послідовниками, склалася дискретна (корпускулярна) модель реальності. Матерія розглядалася як речова субстанція, що складається з окремих часток – атомів або корпускул. Атоми абсолютно міцні, неподільні, непроникні, характеризуються наявністю маси і ваги.

           Суттєвою характеристикою ньютонівського світу був тривимірний простір евклідової геометрії, яка абсолютно постійно і завжди перебуває у спокої. Час уявлявся як величина, яка не залежить ні від простору, ні від матерії. Рух розглядався як переміщення в просторі за безперервними траєкторіями відповідно до законів механіки.

           Підсумком ньютонівської картини світу з'явився образ Всесвіту як гігантського і повністю детермінованого механізму, де події та процеси являють собою ланцюг взаємозалежних причин і наслідків.

           Механістичний підхід до опису природи виявився надзвичайно плідним. Слідом за ньютонівською механікою були створені гідродинаміка, теорія пружності, механічна теорія тепла, молекулярно-кінетична теорія і цілий ряд інших, в руслі яких фізика досягла величезних успіхів. Проте були дві області – оптичних та електромагнітних явищ, які не могли бути повністю пояснені в рамках механістичної картини світу.

           Поряд з механічною корпускулярною теорією, здійснювалися спроби пояснити оптичні явища принципово іншим шляхом, а саме – на основі хвильової теорії, сформульованої X. Гюйгенсом. Хвильова теорія встановлювала аналогію між поширенням світла і рухом хвиль на поверхні води або звукових хвиль у повітрі. У ній передбачалась наявність пружного середовища, що заповнює весь простір, – світлоносного ефіру. Виходячи з хвильової теорії X. Гюйгенс успішно пояснив віддзеркалення і заломлення світла [13].

           Іншою областю фізики, де механічні моделі виявилися неадекватними, була область електромагнітних явищ. Експерименти англійського природодослідника М. Фарадея і теоретичні роботи англійського фізика Дж. К. Максвелла остаточно зруйнували погляди ньютонівської фізики про дискретну речовину як єдиний вид матерії і поклали початок електромагнітної картини світу.

           Явище електромагнетизму відкрив датський натураліст X. К. Ерстед, який вперше зауважив магнітну дію електричних струмів. Продовжуючи дослідження в цьому напрямку, М. Фарадей виявив, що тимчасова зміна в магнітних полях створює електричний струм.

           М. Фарадей прийшов до висновку, що вчення про електрику і оптику взаємопов'язані і утворюють єдину область. Його роботи стали вихідним пунктом досліджень Дж. К. Максвелла, заслуга якого полягає в математичній розробці ідей М. Фарадея про магнетизм і електрику. Максвелл «перевів»модель силових ліній Фарадея в математичну формулу. Поняття «поле сил» спочатку складалося як допоміжние математичне поняття. Дж. К. Максвелл додав йому фізичний зміст і став розглядати поле як самостійну фізичну реальність: «Електромагнітне поле - це та частина простору, яка містить в собі і оточує тіла, що знаходяться в електричному або магнітному стані » [7].

           Виходячи зі своїх досліджень, Максвелл зміг зробити висновок, що світлові хвилі являють собою електромагнітні хвилі. Єдина сутність світла і електрики, яку М. Фарадей припустив в 1845 р., а Дж. К. Максвелл теоретично обгрунтував у 1862 р., була експериментально підтверджена німецьким фізиком Г. Герцем в 1888 р.

           Після експериментів Г. Герца у фізиці остаточно утвердилося поняття поля не в якості допоміжної математичної конструкції, а як об'єктивно існуючої фізичної реальності. Був відкритий якісно новий, своєрідний вид матерії.

           Отже, до кінця XIX ст. фізика прийшла до висновку, що матерія існує в двох видах: дискретної речовини і безперервного поля.

           У результаті ж наступних революційних відкриттів у фізиці в кінці минулого і початку нинішнього століть виявилися зруйнованими подання класичної фізики про речовину і поле як двох якісно своєрідних видах матерії.

           3.3. Мегасвіт. Мегасвіт або космос, сучасна наука розглядає як взаємодіючу і ту, що розвивається систему всіх небесних тіл.

           Всі існуючі галактики входять в систему найвищого порядку – Метагалактику. Розміри Метагалактики дуже великі: радіус космологічного горизонту становить 15 - 20 млрд. світлових років.

            Поняття «Всесвіт» і «Метагалактика» – дуже близькі поняття: вони характеризують один і той самий об'єкт, але в різних аспектах. Поняття «Всесвіт» позначає весь існуючий матеріальний світ; поняття «Метагалактика» – той же світ, але з точки зору його структури – як упорядковану систему галактик.

           Будова та еволюція Всесвіту вивчається космологією. Космологія як розділ природознавства, знаходиться на своєрідному стику науки, релігії і філософії. В основі космологічних моделей Всесвіту лежать певні світоглядні передумови, а самі ці моделі мають велике світоглядне значення.

           У класичній науці існувала так звана теорія стаціонарного стану Всесвіту, відповідно до якої Всесвіт завжди був майже таким, як зараз. Астрономія була статичною: вивчалися рухи планет і комет, описувалися зірки, створювалися їх класифікації, що було, звичайно, дуже важливо. Але питання про еволюцію Всесвіту не ставилося.

           Сучасні космологічні моделі Всесвіту грунтуються на загальній теорії відносності А. Ейнштейна, згідно з якою метрика простору і часу визначається розподілом гравітаційних мас у Всесвіті. Її властивості як цілого обумовлені середньою щільністю матерії та іншими конкретно-фізичними факторами.

            Рівняння тяжіння Ейнштейна має не одне, а безліч рішень, чим і зумовлена наявність багатьох космологічних моделей Всесвіту. Перша модель була розроблена самим А. Ейнштейном в 1917 р. Він відкинув постулати ньютонівської космології про абсолютність і нескінченність простору і часу. Відповідно до космологічної моделі Всесвіту А. Ейнштейна світовий простір однорідний та ізотропний, матерія в середньому розподілена в ньому рівномірно, гравітаційне тяжіння мас компенсується універсальним космологічним відштовхуванням. Час існування Всесвіту нескінченний, тобто не має ні початку, ні кінця, а простір безмежний.

            Всесвіт у космологічної моделі А. Ейнштейна стаціонарний, нескінченний в часі і безмежний в просторі.

           У 1922р. російський математик і геофізик А.А Фрідман відкинув постулат класичної космології про стаціонарность Всесвіту і отримав рішення рівняння Ейнштейна, що описує Всесвіт з «простором, що розширюється».

           Оскільки середня густина речовини у Всесвіті невідома, то сьогодні ми не знаємо, в якому з цих просторів Всесвіту ми живемо.

           У 1927 р. бельгійський абат і вчений Ж. Леметр зв'язав «розширення» простору з даними астрономічних спостережень. Леметр ввів поняття початку Всесвіту як сингулярності (тобто надщільного стану) і народження Всесвіту як Великого вибуху.

            У 1929 р. американський астроном Хаббл виявив існування дивної залежності між відстанню і швидкістю галактик: всі галактики рухаються від нас, причому зі швидкістю, яка зростає пропорційно відстані, – система галактик розширюється.

           Розширення Всесвіту вважається науково встановленим фактом. Згідно з теоретичними розрахунками Ж. Леметра, радіус Всесвіту в первісному стані був 10-12 см, що близько за розмірами до радіуса електрона, а її щільність становила 1096 г/см³. У сингулярному стані Всесвіт представляв собою мікрооб'єкт з мізерно малими розмірами. Від початкового сингулярного стану Всесвіт перейшов до розширення в результаті Великого вибуху.

           Ретроспективні розрахунки визначають вік Всесвіту в 13-20 млрд. років. Г. А. Гамов припустив, що температура речовини була велика і падала з розширенням Всесвіту. Його розрахунки показали, що Всесвіт у своїй еволюції проходить певні етапи, в ході яких відбувається утворення хімічних елементів і структур. У сучасній космології для наочності початкову стадію еволюції Всесвіту ділять на «ери» [4].

           Ера адронів. Важкі частинки, які вступають в сильну взаємодії.

            Ера лептонів. Легкі частинки, що вступають у електромагнітну взаємодію.

           Фотонна ера. Тривалість 1 млн. років. Основна частка маси – енергії Всесвіту – припадає на фотони.

            Зоряна ера. Настає через 1 млн. років після зародження Всесвіту. У зоряну еру починається процес утворення протозірок і протогалактик.

           Потім розгортається грандіозна картина утворення структури Метагалактики.

           У сучасній космології поряд з гіпотезою Великого вибуху вельми популярна інфляційна модель Всесвіту, в якій розглядається творіння Всесвіту. Ідея творіння має дуже складне обгрунтування і пов'язана з квантовою космологією. В цій моделі описується еволюція Всесвіту починаючи з моменту 10-45 с після початку розширення.

           Прихильники інфляційної моделі бачать відповідність між етапами космічної еволюції і етапами творення світу, описаними в книзі Буття в Біблії [3].

           Відповідно до інфляційної гіпотези космічна еволюція в ранньому Всесвіті проходить ряд етапів.

            Початок Всесвіту визначається фізиками-теоретиками як стан квантової супергравітації з радіусом Всесвіту в 10-50 см.

           Стадія інфляції. У результаті квантового стрибка Всесвіт перейшов в стан порушеного вакууму і під час відсутності в ньому речовини і випромінювання інтенсивно розширювався за експоненціальним законом. У цей період створювався сам простір і час Всесвіту. Всесвіт роздувся від неймовірно малих квантових розмірів 10-33 до неймовірно великих 101000000 см, що на багато порядків перевершує розмір спостережуваного Всесвіту – 1028 см. Весь цей початковий період у Всесвіті не було ні речовини, ні випромінювання.

           Перехід від інфляційної стадії до фотонної. Стан помилкового вакууму розпався, енергія, що вивільнилась, пішла на народження важких частинок і античастинок, які, дали могутній спалах випромінювання (світла), що освітило космос.

           Етап відділення речовини від випромінювання: речовина, що залишилась після анігіляції стала прозорою для випромінювання, контакт між речовиною і випромінюванням пропав. Випромінювання, яке відокремилось від речовини і становить сучасний реліктовий фон, теоретично передвіщений Г. А. Гамовим і експериментально виявлений в 1965 р.

           Надалі розвиток Всесвіту йшов у напрямку від максимально простого однорідного стану до створення дедалі більш складних структур – атомів (спочатку атомів водню), галактик, зірок, планет, синтезу важких елементів в надрах зірок, в тому числі і необхідних для створення життя, виникнення життя і як вінця творіння – людини.

           Різниця між етапами еволюції Всесвіту в інфляційній моделі та моделі Великого вибуху стосується тільки початкового етапу порядку 10-30 с, далі між цими моделями принципових розбіжностей у розумінні етапів космічної еволюції немає.

            Поки ж ці моделі за допомогою знань і фантазії можна розраховувати на комп'ютері, а питання залишається відкритим.

           Найбільша складність для вчених виникає при поясненні причин космічної еволюції. Можна виділити дві основні концепції, що пояснюють еволюцію Всесвіту: концепцію самоорганізації та концепцію креаціонізму.

           Для концепції самоорганізації матеріальний Всесвіт є єдиною реальністю, і ніякої іншої реальності окрім неї не існує. Еволюція Всесвіту описується в термінах самоорганізації: йде мимовільне упорядкування систем у напрямку встановлення все більш складних структур. Динамічний хаос породжує порядок.

           У рамках концепції креаціонізму, тобто творіння, еволюція Всесвіту зв'язується з реалізацією програми, яка визначається реальністю більш високого порядку, ніж матеріальний світ. Прихильники креаціонізму звертають увагу на існування у Всесвіті спрямованого номогенца – розвитку від простих систем до все більш складним і інформаційно ємних, під час якого створювалися умови для виникнення життя і людини. В якості додаткового аргументу залучається антропний принцип, сформульований англійськими астрофізиками Б. Карром і Ріссі.