Два примера материи. Основные формы материи: единство, сущность, способ существования, направленность эволюции
Вещество и поле - фундаментальные физические понятия, обозначающие два осн. вида материи на макроскопическом уровне:
Вещество - совокупность дискретных образований, обладающих массой покоя (атомы, молекулы и то, что из них построено);
Поле - вид материи, характеризующейся непрерывностью и имеющей нулевую массу покоя (электромагнитное П. и П. тяготения - гравитационное).
Открытие поля как вида материи имело огромное философское значение, т. к. обнаружило несостоятельность метафизического отождествления материи с веществом.
Разработка Лениным диалектико-материалистического определения материи во многом опиралась на философское обобщение развития учения о П. На субатомном уровне (т. е. на уровне элементарных частиц) различие В. и п. становится относительным. П. (электромагнитное и гравитационное) утрачивают чисто непрерывный характер: им необходимо соответствуют дискретные образования - кванты (фотоны и гравитоны). А элементарные частицы, из к-рых состоит вещество - протоны, нейтроны, электроны, мезоны и т. д. - выступают как кванты соответствующих нуклонных, мезонных и др. полей и утрачивают свой чисто дискретный характер.
Неправомерно на субатомном уровне различать В. и п. и по наличию или отсутствию массы покоя, т. к. нуклонные, мезонные и т. д. поля обладают массой покоя. В совр. физике поля и частицы выступают кан две неразрывно связанные стороны микромира, как выражение единства корпускулярных (дискретных) и волновых (континуальных, непрерывных) свойств микрообъектов. Представления о П. выступают также как основа для объяснения процессов взаимодействия, воплощая принцип близкодействия.
26.Корпускулярно-волновой дуализм .
В 1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики: французский физик Луи де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. В своей работе «Свет и материя» он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением Энштейна в теории света, но также и в теории материи.
Бройль утверждал, что волновые св-ва, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам.
Согласно Бройлю, любому телу с массой m, движущемуся со скоростью v, соответствует волна
Фактически аналогичная формула была известна раньше, но только применительно к квантам света – фотонам.
В 1926 г. австрийский физик Шредингер нашел математическое уравнение, определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера. Английский физик Дирак обобщил его.
Смелая мысль Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить св-ва материи и света в их единстве.
Однако гипотеза де Бройля нуждалась в опытном подтверждении. Наиболее убедительным свидетельством существования волновых св-в материи стало обнаружение в 1927г. дифракции электронов американскими физиками Дэвиндсоном и Дмермером.
Во всех случаях результаты полностью подтверждали гипотезу де Бройля. Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых св-в.
Тот факт, что один тот же объект проявляется и как частица и как волна, разрушал традиционные представления.
– бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств и связей, отношений и форм движения. Она включает в себя не только непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые не даны человеку в его ощущениях.
Неотъемлемым свойством материи является движение. Движение материи представляет собой любые изменения, происходящие с материальными объектами в результате их взаимодействий. В природе наблюдаются различные виды движения материи: механическое, колебательное и волновое, тепловое движение атомов и молекул, равновесные и неравновесные процессы, радиоактивный распад, химические и ядерные реакции, развитие живых организмов и биосферы.
На современном этапе развития естествознания исследователи различают следующие виды материи: вещество, физическое поле и физический вакуум.
Вещество представляет собой основной вид материи, обладающий массой покоя. К вещественным объектам относят: элементарные частицы, атомы, молекулы и многочисленные образованные из них материальные объекты. Свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия атомов и молекул, что и обусловливает различные агрегатные состояния веществ.
Физическое поле представляет собой особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. К физическим полям исследователи относят: электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля, соответствующие различным частицам. Источником физических полей являются частицы.
Физический вакуум – это низшее энергетическое состояние квантового поля. Этот термин был введен в квантовую теорию поля для объяснения некоторых процессов. Среднее число частиц – квантов поля – в вакууме равно нулю, однако в нем могут рождаться частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время.
При описании материальных систем используют корпускулярную (от лат. corpuskulum – частица) и континуальную (от лат. continium – непрерывный) теории. Континуальная теория рассматривает повторяющиеся непрерывные процессы, колебания, которые происходят в окрестности некоторого среднего положения. При распространении колебаний в среде возникают волны. Теория колебаний – область физики, занимающаяся исследованием этих закономерностей. Таким образом, континуальная теория описывает волновые процессы. Наряду с волновым (континуальным) описанием широко используется понятие частицы – корпускулы. С точки зрения континуальной концепции вся материя рассматривалась как форма поля, равномерно распространенного в пространстве, а после случайного возмущения поля возникли волны, то есть частицы с различными свойствами. Взаимодействие этих образований привело к появлению атомов, молекул, макротел, образующих макромир. На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.
Микромир – это область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, размер которых исчисляется в диапазоне от 10 -8 до10 -16 см, а время жизни – от бесконечности до 10 -24 с. Это мир от атомов до элементарных частиц. Все они обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами.
Макромир – мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабом с человеком. На этом уровне пространственные величины измеряются от миллиметров до километров, а время – от секунд до лет. Макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности.
Мегамир – сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами (1 а. е. = 8,3 световых минуты), световыми годами (1 световой год = 10 трлн км) и парсеками (1пк = 30 трлн км), а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет. К этому уровню относятся наиболее крупные материальные объекты: планеты и их системы, звезды, галактики и их скопления, образующие метагалактики.
Классификация элементарных частиц
Элементарные частицы – основные структурные элементы микромира. Элементарные частицы могут быть составными (протон, нейтрон) и несоставными (электрон, нейтрино, фотон). К настоящему времени обнаружено более 400 частиц и их античастиц. Некоторые элементарные частицы обладают необычными свойствами. Так, долгое время считалось, что частица нейтрино не имеет массы покоя. В 30-е гг. XX в. при изучении бета-распада было обнаружено, что распределение по энергиям электронов, испускаемых радиоактивными ядрами, происходит непрерывно. Из этого следовало, что или не выполняется закон сохранения энергии, или кроме электронов испускаются трудно регистрируемые частицы, подобные фотонам с нулевой массой покоя, уносящие часть энергии. Ученые предположили, что это нейтрино. Однако зарегистрировать нейтрино экспериментально удалось только в 1956 г. на огромных подземных установках. Сложность регистрации этих частиц заключается в том, что захват частиц нейтрино происходит чрезвычайно редко из-за их высокой проникающей способности. В ходе экспериментов было установлено, что масса покоя нейтрино не равна нулю, хотя от нуля отличается ненамного. Интересными свойствами обладают и античастицы. Они имеют многие из тех же признаков, что и их частицы-двойники (массу, спин, время жизни и т. д.), но отличаются от них знаками электрического заряда или другими характеристиками.
В 1928 г. П. Дирак предсказал существование античастицы электрона – позитрона, который был обнаружен спустя четыре года К. Андерсоном в составе космических лучей. Электрон и позитрон – не единственная пара частиц-двойников, все элементарные частицы, кроме нейтральных, имеют свои античастицы. При столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция (от лат. annihilatio – превращение в ничто) – превращение элементарных частиц и античастиц в другие частицы, число и вид которых определяются законами сохранения. Например, в результате аннигиляции пары электрон– позитрон рождаются фотоны. Число обнаруженных элементарных частиц со временем увеличивается. Вместе с тем продолжается поиск фундаментальных частиц, которые могли бы быть составными «кирпичиками» для построения известных частиц. Гипотеза о существовании подобного рода частиц, названных кварками, была высказана в 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном (Нобелевская премия 1969 г.).
Элементарные частицы обладают большим количеством характеристик. Одна из отличительных особенностей кварков заключается в том, что они имеют дробные электрические заряды. Кварки могут соединяться друг с другом парами и тройками. Соединение трех кварков образует барионы (протоны и нейтроны). В свободном состоянии кварки не наблюдались. Однако кварковая модель позволила определить квантовые числа многих элементарных частиц.
Элементарные частицы классифицируют по следующим признакам: массе частицы, электрическому заряду, типу физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, времени жизни частиц, спину и др.
В зависимости от массы покоя частицы (масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, считающегося самой легкой из всех частиц, имеющих массу) выделяют:
photos – частицы, которые не имеют массы покоя и движутся со скоростью света);
leptos – легкий) – легкие частицы (электрон и нейтрино);
mesos – средний) – средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона (пи-мезон, ка-мезон и др.);
barys – тяжелый) – тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны и др.).
В зависимости от электрического заряда выделяют:
Существуют частицы с дробным зарядом – кварки. С учетом типа фундаментального взаимодействия, в котором участвуют частицы, среди них выделяют:
adros – крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;
– переносчики сильного взаимодействия; промежуточные векторные бозоны – переносчики слабого взаимодействия).
По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни – 10 -10 -10 -24 с. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10 -10 с. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, протон и электрон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют резонансами. Время их жизни составляет 10 -24 -10 -26 с.
Материя - объективная реальность, данная нам В ОЩУЩЕНИЯХ….
Материя несотворима, неуничтожима, вечна и бесконечна.
Типы материальных систем, известные современной науке:
1) элементарные частицы
4) молекулы
5) макроскопические тела
6) геологические системы
Этим и другим материальным системам соответствуют структурные уровни организации материи (материя структурирована и систематизирована)
Атрибут - неотъемлемое свойство материи .
1) Структурность материи проявляется в существовании бесконечно многообразных материальных образований, каждое из которых представляет собой специфические единичные вещь, процесс, которые локализованы в пространстве и времени: Вселенная, галактика, звезда, планета, молекула, атом, элементарная частица и др. Вместе с тем они тесно взаимосвязаны между собой, так как одни материальные образования являются составными частями других, то есть входят в их структуру в качестве элементов.
2) Системность материи появляется во взаимосвязи вещей и процессов, в регулярном пересечении структурных уровней организации материального мира, в постоянном нарушении автономии, «параллелизма» микро- , макро- и мегамиров, живого и неживого. Основная проблема здесь заключается в нерешенности вопроса перехода от неживой природы к живой в едином эволюционном процессе.
Материя - это все то, что прямо или косвенно действует на органы чувств человека и другие объекты. Окружающий нас мир, все существующее вокруг нас представляет собой материю. Неотъемлемое свойство материи - движение.
Движение материи - любые изменения, происходящие с материальными объектами в результате их взаимодействия.
Материя не существует в бесформенном состоянии, из нее образуется сложная иерархическая система материальных объектов различных масштабов и сложностей.
Для естествоиспытателей представляет интерес не материя или движение вообще, а конкретные виды материи и движения.
В современном естествознании различают 3 вида материи:
1. Вещество - основной вид материи, обладающий массой. К вещественным объектам относятся элементарные частицы, атомы, молекулы, многочисленные образовавшиеся из них материальные объекты. В химии вещества подразделяются на простые (с атомами одного химического элемента) и сложные (химические соединения). свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия атомов и молекул. Это и обуславливает различные агрегатные состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное + плазма при сравнительно высокой температуре) переход вещества из одного состояния в другое можно рассмотреть как один из видов движения материи.
2. Физическое поле - особый вид материи, который обеспечивает физическое взаимодействие материальных объектов и систем.
Физические поля:
· Электромагнитное и гравитационное
· Поле ядерных сил
· Волновые (квантовые) поля
Источник физических полей - элементарные частицы. Направление для электромагнитного поля - источник, заряженные частицы
Физические поля, которые создаются частицами переносят взаимодействие между этими частицами с конечной скоростью.
Квантовые теории - взаимодействие обусловлено обменом квантами поля между частицами.
3. Физический вакуум - низшее энергетическое состояние квантового поля. Этот термин введен в квантовой теории поля для объяснения некоторых микропроцессов.
Среднее число частиц (квантов поля) вакууме равно нулю, однако в нем могут рождаться виртуальные частицы, то есть частицы в промежуточном состоянии, существующие короткое время. Виртуальные частицы влияют на физические процессы.
Принято считать, что не только вещество, но и поле и вакуум имеют дискретную структуру. Согласно квантовой теории поле, пространство и время в очень малых масштабах образуют пространственно-временную среду с ячейками. Квантовые ячейки настолько малы (10 -35 -10 -33), что их можно не учитывать при описании свойств электромагнитных частиц, считая пространство и время непрерывными.
Вещество воспринимается как непрерывная сплошная среда. для анализа и описания свойств такого вещества в большинстве случаев учитывается только его непрерывность. Однако, то же вещество при объяснении тепловых явлений, химических связей, электромагнитных излучений рассматривается как дискретная среда, которая состоит из взаимодействующих между собой атомов и молекул.
Дискретность и непрерывность присущи физическому полю, но при решении многих физических задач принято считать гравитационное, электромагнитное и другие поля непрерывными. Однако в квантовой теории поля предполагается, что физические поля дискретны, следовательно, для одних и тех же видов материи характерна прерывность и непрерывность.
Для классического описания природных явлений достаточно учитывать непрерывные свойства материи, а для характеристики различных микропроцессов - дискретные.
Непрерывность и дискретность - неотъемлемые свойства материи.
Согласно теории корпускулярно-волнового дуализма свет – это поток частиц – квантов или фотонов, несущих определенные порции энергии и импульса, но в то же время свет – это волны электромагнитного поля, обладающие энергией и импульсом и распространяющиеся в пространстве со скоростью света.
В квантовой механике любой частице соответствует волна. А когда частиц много? С точки зрения квантовой механики можно было бы сопоставить каждой частице свое поле. Однако опыт свидетельствует о полной неразличимости тождественных частиц. Конечно, уэлектронов могут быть разные энергии и импульсы, но при одних и тех же параметрах электроны одинаковы.
Итак, если все частицы одинаковы, как волны в одной и той же среде, то, значит, эта среда, т. е. поле, является более фундаментальным понятием.
Поле определяется через силы, действующие на некоторый пробный объект (заряд, массу), помещенный в данную точку пространства. Пространство непрерывно. В каждой его точке эта сила имеет вполне определенное значение, считающееся характеристикой поля. При этом переход от точки к точке непрерывный и плавный. Важным свойством поля является непрерывность его характеристик. Именно непрерывность позволяет эффективно применять математические методы для описания физических характеристик разнообразных объектов. К настоящему времени известно несколько типов физических полей, соответствующих типам взаимодействий, – электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля элементарных частиц.
С математической точки зрения поле – это произвольная функция или набор функций, координат и времени.
Поля могут быть постоянными и переменными. Например, электрическое и магнитное поля фотона являются переменными (они синусоидально зависят от координат и времени, т. е. изменяются по гармоническому закону), а магнитное поле Земли и электрическое поле в грозовой туче постоянные.
Вещество построено из электронов и нуклонов (протонов и нейтронов). Последние в свою очередь состоят из кварков. Различного рода взаимодействия между частицами вещества осуществляются полями. Кванты полей, переносящих электромагнитное взаимодействие, представляют собой фотоны, гравитационное взаимодействие – гравитоны, сильное взаимодействие – глюоны, слабое взаимодействие – векторные бозоны.
В классической физике вещество и поле абсолютно противопоставлялись друг другу как два вида материи, у первого из которых структура дискретна, а у второго – непрерывна. Открытие в квантовой теории двойственной корпускулярно-волновой природы микрообъектов нивелирует это противопоставление. На этой основе были строго разделены категории вещества и материи, на протяжении многих веков отождествлявшиеся в философии и науке, причем философское значение осталось за категорией материи, а понятие вещество сохранило научный смысл в физике и химии. В земных условиях для веществ известны четыре состояния: твердые тела, жидкости, газы, плазма.
