Понятие материи. Виды и свойства материи

23.02.202227.05.2017

Объектами изучения физической науки являются материя, ее свойства и структурные формы, из которых складывается окружающий нас мир. Согласно представлениям современной физики существует два вида материи: вещество и поле . Вещество - вид материи, состоящей из фундаментальных частиц, обладающих массой. Мельчайшая частица вещества, обладающая всеми его свойствами, – молекула – состоит из атомов. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. А из чего состоят атомы? Всякий атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов (рис. 21.1).

Размер электрона до

В свою очередь, ядра состоят из протонов и нейтронов.

Можно задать следующий вопрос. А из чего состоят протоны и нейтроны? Ответ известен - из кварков. А электрон? Современные средства изучения структуры частиц не позволяют ответить на этот вопрос.

Поле как физическая реальность (т. е. вид материи) было впервые введено М. Фарадеем. Он предположил, что взаимодействие между физическими телами осуществляется через особый вид материи, который получил название поля.

Всякое физическое поле обеспечивает определенный вид взаимодействия между частицами вещества. В природе обнаружено четыре основных вида взаимодействия: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое.

Электромагнитное взаимодействие наблюдается между заряженными частицами. При этом возможно притяжение и отталкивание.

Гравитационное взаимодействие, основным проявлением которого является закон всемирного тяготения, выражается в притяжении тел.

Сильное взаимодействие - это взаимодействие между адронами. Радиус его действия порядка м, т. е. порядка размеров ядра атома.

Наконец, последнее взаимодействие - это слабое взаимодействие, посредством которого реагирует с веществом такая неуловимая частица, как нейтрино. В полете сквозь космическое пространство, столкнувшись с Землей, она прошивает ее насквозь. Примером процесса, в котором проявляется слабое взаимодействие, является бета-распад нейтрона.

Все поля имеют массу, равную нулю. Особенностью поля является проницаемость для других полей и вещества. Поле подчиняется принципу суперпозиции. Поля одного и того же вида при наложении могут усиливать или ослаблять друг друга, что невозможно для вещества.

Классические частицы (материальные точки) и непрерывные физические поля - вот те элементы, из которых составлялась физическая картина мира в классической теории. Однако такая двойственная картина строения материи оказалась недолговечной: вещество и поле объединяются в единое понятие квантового поля. Всякая частица теперь - это квант поля, особое состояние поля. В квантовой теории поля нет принципиального различия между вакуумом и частицей, различие между ними - это различие между двумя состояниями одной и той же физической реальности. Квантовая теория поля наглядно показывает, почему невозможно пространство без материи: "пустота" – это всего лишь особое состояние материи, а пространство - это форма существования материи.

Таким образом, деление материи на поле и вещество как на два вида материи является условным и оправдано в рамках классической физики.

Большинство людей могут легко назвать три классических состояния материи: жидкое, твердое и газообразное. Те, кто хотя бы немного интересовался физикой, добавят к этому списку плазму. Но на самом деле сегодня учёные существенно расширили список возможных состояний материи. Сегодня их, как минимум, десять.

1. Аморфные тела

Аморфные твердые вещества - необычная подгруппа известного твердого состояния материи. В обычном твердом объекте молекулы высоко организованы и не могут свободно передвигаться. Это придает твердому веществу высокую вязкость, которая является мерой сопротивления. А в жидкости - наоборот, молекулярная структура дезорганизована, что позволяет молекулам свободно двигаться, а жидкости - принимать форму сосуда, в который ее наливают.

Аморфное твердое вещество находится на полпути между этими двумя состояниями материи. Во время процесса, известного как витрификация, жидкость охлаждается и его вязкость повышается до такой степени, что она больше не течет подобно жидкости, но ее молекулы остаются неупорядоченными и не образуют кристаллическую структуру, как у нормального твердого вещества. Наиболее распространенным примером аморфного твердого вещества является стекло.

2. Сверхкритические флюиды

Большинство фазовых переходов из одного состояния в другое происходят при определенных температуре и давлении. Общеизвестно, что повышение температуры в конечном счете превращает жидкость в газ. Однако, когда давление увеличивается вместе с температурой, жидкость вместо этого переходит в сверхкритическое состояние, которое имеет свойства как газа, так и жидкости. Например, сверхкритические жидкости могут проходить сквозь твердые тела, как газ, но могут также действовать в качестве растворителя, как жидкость. Интересно, что сверхкритическая жидкость может обладать большинством свойств газа или жидкости, в зависимости от комбинации давления и температуры.

3. Вырожденное вещество

Аморфные твердые вещества существуют даже на планете Земля, а вырожденная материя может существовать только в звездах определенного типа. Подобная материя существует, когда ее форма и стабильность диктуются не температурой, как на Земле, а сложными квантовыми принципами, подобным принципу Паули. Из-за этого форма вырожденного вещества будет сохраняться, даже если температура вещества снизится до абсолютного нуля.

Известны два основных типа вырожденного вещества: электронно-вырожденное вещество и нейтронно-вырожденное вещество. Электронно-вырожденная материя существует в основном в звездах типа белый карлик, при условии, если масса звезды меньше в 1,44 раза, чем масса нашего Солнца. Если звезда массивнее этого предела (известного как предел Чандрасекара), она просто сколлапсируется в нейтронную звезду или черную дыру. А в черной дыре вещество преобразуется в нейтронно-вырожденную форму. Свободные нейтроны (не связанные в атомном ядре), как правило, имеют период полураспада 10,3 минуты, а в ядре нейтронной звезды нейтроны существуют вне ядра, образуя нейтронно-вырожденное вещество.

4. Сверхтекучее вещество

С далеких звезд перейдем вновь к Земле, чтобы обсудить сверхтекучесть. Сверхтекучее - состояние материи, которое существует, когда некоторые изотопы гелия, рубидия и лития охлаждаются до почти абсолютного нуля. Наиболее распространенным является сверхтекучий жидкий гелий. Когда гелий охлаждают до так называемой "точки" лямбда - 2,17 градусов Кельвина, то часть жидкости становится сверхтекучей. При этом атомы гелия взаимодействуют друг с другом так, что он может оставаться жидким вплоть до абсолютного нуля.

Также вещество в данном состоянии имеет очень странные свойства. Сверхтекучая жидкость, помещенная в пробирку, начинает ползти вверх по бокам пробирки, казалось бы, нарушая законы гравитации и поверхностного натяжения. При это жидкий гелий удержать невероятно сложно, поскольку он просачивается через малейшие поры. К примеру, из стандартного термоса, он "загадочно исчезнет" буквально за считанные минуты.

5. Конденсат Бозе-Эйнштейна

Конденсат Бозе-Эйнштейна, вероятно, является одной из самых неизученных и трудных для понимания форм материи. Во-первых, нужно понять, что такое бозоны и фермионы. Фермионов - частицы с полуцелым значением спина, такие как кварки и лептоны. Эти частицы подчиняются принципу Паули, с помощью которого образуется электронно-вырожденное вещество.

Бозон - частица с целым значением спина, а несколько бозонов могут принимать одинаковое квантовое состояние. К бозонам относятся любые частицы с зарядом энергии (например, фотоны). В 1920-х годах Альберт Эйнштейн, основываясь на работах индийского физика Бозе, предположил существование новой формы материи, основу которой составляют бозоны, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю. (меньше миллионной доли градуса выше абсолютного нуля).

Конденсаты Бозе-Эйнштейна очень похожи на сверхтекучее вещество, но имеют свои собственные уникальные свойства. Самым шокирующим является то, что БЭК может замедлить скорость света от его нормальной скорости в 300 000 метров в секунду. В 1998 году Гарвардский исследователь Лене Хау смог замедлить свет до всего лишь 60 километров в час, выстреливая лучом лазера сквозь сигарообразный образец БЭК. В ходе более позднего эксперимента, команда Хау смогла полностью остановить свет в БЭК.

6. Металл Яна-Теллера

Подобное вещество исследователям удалось успешно создать только в 2015 году. Если их эксперименты подтвердятся другими лабораториями, то это может изменить мир, поскольку метал Яна-Теллера обладают свойствами как изолятора, так и сверхпроводника одновременно. В металле, который был назван в честь эффекта Яна-Теллера, давление может преобразовывать геометрическую форму молекул в новые электронные конфигурации. Проще говоря, получившееся вещество может легко менять свое состояние на проводник, изолятор, металл и магнитный материал. Свойства подобного материала изменяются в зависимости от расстояния между атомами в кристаллической решетке. Расстояние же меняют с помощью давления, но не обычного механического, а химического.

7. Фотонная материя

В течение многих десятилетий считалось, что фотоны - частицы, не имеющие массы, которые не взаимодействуют друг с другом. Тем не менее, в последние несколько лет исследователи обнаружили новые способы, чтобы придать свету массу и даже создали "легкие молекулы", которые отражаются друг от друга и образовывают связи друг с другом. Это, по сути, первый шаг к созданию светового меча из "Звездных войн".

8. Неупорядоченная гипероднородность

При попытках перевести вещество в новое состояние материи, ученые смотрят на структуру вещества, а также на его свойства. В 2003 году Сальваторе Торквато и Фрэнк Стиллинжер из Принстонского университета предложили новое состояние материи, названное неупорядоченной гипероднородностью. Что самое интересное, они открыли новое состояние вещества после внимательного изучения глаза цыпленка.

Оказалось, что клетки в сетчатке куриного глаза располагаются хаотично, но при этом равномерно. Вещество в подобном состоянии проявляет свойства жидкости и кристалла одновременно. Казалось бы, подобное возможно только в состоянии плазмы, но природа оказалась хитрее. Предполагается, что подобное открытие может помочь в разработке принципиально инновационных устройств для передачи света.

9. Струнно-сетевая жидкость

Какое состояние материи в вакууме космоса? Большинство людей не задумывались над этим вопросом, но в последнее десятилетие ученые Массачусетского технологического института Сяо Ган-Вэнь Цзябао и Гарвард Майкл Левин предположили гипотетическое новое состояние материи, которое может стать ключом к открытию фундаментальных частиц меньше электрона.

Еще в середине 90-х годов группа ученых заявила о возможности существования так называемых "квази-частиц", поскольку в ходе эксперимента электроны проходили между двумя полупроводниками. Это вызвало настоящий переполох, так как квазичастицы действовали так, как будто они имели дробный заряд, что считалось невозможным в физике. На основании этих данных команда предположила, что электрон не является фундаментальной частицей Вселенной, а также что существуют более фундаментальные частицы, которые люди еще не обнаружили. Их работа получила Нобелевскую премию, но позднее было обнаружено, что результаты были вызваны ошибкой в эксперименте.

Идея "квази-частиц" была опровергнута. Но некоторые исследователи не отказались от нее полностью. Вэнь Цзябао и Левин продолжили работу над "квази-частицами" и предположил существование нового состояния материи, известного как струнно-сетевая жидкость, основным свойством которой является квантовая запутанность. В своих работах, Вэнь Цзябао и Левин заявили, что космос заполнен струнными сетями запутанных субатомных частиц.

10. Кварко-глюонная плазма

Изначально Вселенная пребывала в совсем другом состоянии материи, чем сейчас. Считается, что в природе нет свободных кварков, но сразу после Большого Взрыва, свободные кварки и глюоны существовали в течение миллисекунды. В течение этого времени, температура Вселенной была так высока, что кварки и глюоны взаимодействовали друг с другом.

В течение этого периода времени Вселенная полностью состояла из горячей кварко-глюонной плазмы. Кварко-глюонная плазма− состояние материи, в которой высвобожденные цветные кварки и глюоны образуют непрерывную среду (хромоплазму), а также могут распространяться в ней как квазисвободные частицы. Возникает так называемая "цветопроводимость", которая аналогична электропроводимости, возникающей в обычной электронно-ионной плазме.

Одним из недавних открытий является стала в созвездии Лебедя.

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.

– 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.

Введение понятия электромагнитного поля расширило научное представление о формах материи, изучаемых в физике. Классическая, ньютоновская физика имела дело только с одной единственной формой физической материи - веществом, которое было построено из материальных частиц и представляло собой систему таких частиц, в качестве которых рассматривались либо материальные точки (механика), либо атомы (учение о теплоте).

Введение 3
1. Структурность и системность материи 4
2. Поле и вещество 6
Заключение 9
Список используемой литературы 10

Работа содержит 1 файл

Введение 3

1. Структурность и системность материи 4

2. Поле и вещество 6

Заключение 9

Список используемой литературы 10

Введение

На пороге ХХ в. наука подошла к тому, чем всегда занималась мифология - к вопросу о происхождении мира и материи.

Важнейшей задачей современного естествознания является создание естественнонаучной картины мира. В процессе ее создания возникает вопрос о происхождении и изменении различных материальных продуктов и явлений, об их количественных, качественных характеристиках.

Материя - это бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения. Материя включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые в принципе могут быть познаны в будущем на основе совершенствования средств наблюдения и эксперимента. Весь окружающий нас мир представляет собой движущуюся материю в её бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми её свойствами, связями и отношениями.

Представления о материи в основном развивались в рамках материализма, но к данному понятию обращались и представители иных философских направлений. В античности решение проблемы субстанции осуществлялось в рамках натурфилософского подхода. Натурфилософия ставила задачу выявления единого закона, управляющего эмпирически удостоверенным многообразием какого-то фрагмента бытия, при этом менялся только уровень обобщений. По этой же причине материя изначально сближалась с веществом.

В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета и т. д. может быть рассмотрен как система - сложное образование включающее составные части, элементы и связи между ними.

1. Структурность и системность материи

Важнейшими атрибутами материи являются структурность и системность. Они выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется. Под структурой материи обычно понимается ее строение в микромире, существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т. д. Это связанно с тем, что человек, являясь микроскопическим существом, привык к соответствующим масштабам, поэтому понятие строения материи ассоциируется, как правило, с микрообъектами. Но если рассматривать материю в целом, то понятие структуры материи будет охватывать также различные макроскопические тела, все космические системы мегамира. С этой точки зрения структура материи проявляется в существовании бесконечного многообразия целостных систем, тесно связанных между собой. Из всего многообразия форм объективной реальности (то есть материи), эмпирически доступной для наблюдения является конечная область материального мира, которая простирается от 10 -15 см до 10 28 см (около 20 млрд. световых лет), а во времени - до 2*10 10 лет. В этих доступных нам масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимосвязанных систем: Метагалактика, отдельная галактика, звездная система, планета, отдельные тела, молекулы, атомы, элементарные частицы.

Наряду со структурностью неотъемлемым свойством материи является ее системность. Система - это внутренне (или внешне) упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к другим объектам или внешним условиям. Во всех целостных системах связь между элементами является более устойчивой, упорядоченной и внутренне необходимой, чем связь каждого из элементов с окружающей средой. В неживой природе множество объектов будет целостной системой только в том случае, если энергия связи между ними больше их суммарной кинетической энергии совместно с энергией внешних воздействий, направленных на разрушение системы. В противном случае система не возникнет или распадется. Энергия внутренних связей - это общая энергия, которую нужно было бы приложить последовательно к каждому из элементов, чтобы удалить его из системы на большое расстояние, то есть “растащить” систему. Поскольку эта энергия не возникает из ничего, стабильность и целостность систем оказывается косвенно обусловленной действием закона сохранения энергии.

Внутренняя энергия связи может иметь различное значение в зависимости от характера сил, объединяющих тела в системы. С переходом от космических систем к макроскопическим телам, молекулам и атомам к гравитационным силам добавляются электромагнитные, намного более мощные, чем первые. В атомных ядрах действуют еще более мощные ядерные силы. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы. При переходе к элементарным частицам энергия внутренних связей возрастает еще больше и оказывается сопоставимой с их собственной энергией.

Именно на уровне микромира физика ищет сегодня ответы на вопросы, из чего состоит материя? Есть ли конкретный предел делимости материи? - вопросы, издавна волновавшие человечество.

Долгое время атом считался конечным пределом делимости материи, а так же тем элементарным “кирпичиком” вещества, из которого сложены все предметы и явления нашего мира. Но уже к началу ХХ в. выяснилось, что это не так. Был открыт электрон, а затем другие элементарные частицы, число которых постоянно возрастает и на сегодняшний день превысило 300 разновидностей. У большинства элементарных частиц есть античастицы, отличающиеся противоположными знаками электрического заряда и магнитного момента: для электронов - позитроны, для протона - антипротон, для нейтрона - антинейтрон и т. д. Все другие свойства античастиц аналогичны свойствам обычных частиц. Из них могут образовываться устойчивые атомные ядра, атомы, молекулы и антивещество, подчиняющееся тем же законам движения, что и обычное вещество. При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции - превращения частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий.

Можно констатировать, что современная физика довольно неплохо изучила процессы, протекающие в микромире, систематизировав эти знания и представив их в таких теориях, как квантовая механика, квантовая электродинамика, квантовая хромодинамика. Об основах этих теорий, отражающий современный уровень знаний о строении материи, и необходимо поговорить.

Структура материи: ее элементы и уровни

Элементами структуры материи являются:

1. неживая природа;

2. живая природа;

3. социум (общество).

Каждый элемент материи имеет несколько уровней.

Уровнями неживой природы являются:

Субмикроэлементарный (кварки, глюоны, суперструны – мельчайшие единицы материи, меньше, чем атом);

Икроэлементарный (адроны, состоящие из кварков, электроны);

Ядерный (ядро атома);

Атомарный (атомы);

Молекулярный (молекулы);

Уровень единичных вещей;

Уровень макротел;

Уровень планет;

Уровень систем планет;

Уровень галактик;

Уровень систем галактик;

Уровень метагалактик;

Уровень Вселенной, мира в целом.

К уровням живой природы относятся:

Доклеточный (ДНК, РНК, белки);

Клеточный (клетка);

Уровень многоклеточных организмов;

Уровень видов;

Уровень популяций;

Биоценозы;

Уровень биосферы в целом.

К уровням социума относятся:

Отдельный индивид;

Семья;

Группа;

Коллективы разных уровней;

Социальные группы (классы, страты);

Этносы;

Нации;

Расы;

Отдельные общества;

Государства;

Союзы государств;

Человечество в целом.

2. Поле и вещество

Если главной характеристикой вещества является масса, так как именно она фигурирует в основном законе механики F = mа, то в электродинамике основным является понятие энергии поля. Другими словами, при изучении движения в механике в первую очередь обращают внимание на перемещение тел, обладающих массой, а при исследовании электромагнитного поля - на распространение электромагнитных волн в пространстве с течением времени. Другим отличием вещества от поля является также характер передачи воздействий. В механике такое воздействие передается с помощью силы, причем оно может быть осуществлено в принципе на какое угодно расстояние, в то время как в электродинамике энергетическое воздействие поля передается от одной точки к другой.

Наконец, нельзя не отметить также тот немаловажный факт, что, после того как источник электромагнитных волн прекращает свое действие, возникшие электромагнитные волны продолжают распространяться в пространстве. Выходит, что электромагнитные волны могут существовать автономно, без непосредственной связи с источником энергии.

Исторически подход к изучению природы с точки зрения вещества и связанной с ним массы нашел отчетливое выражение в механистической картине мира, которая пыталась объяснить другие, немеханические явления с помощью понятий и принципов механики. В его основе лежит представление о дискретной природе вещества, которое в механике рассматривалось как система материальных частиц, а в других науках - совокупность атомов или молекул. Таким образом, дискретность можно рассматривать как конечную делимость материи на отдельные, все уменьшающиеся части. Еще античные греки поняли, что такая делимость не может продолжаться бесконечно, ибо тогда исчезнет сама материя. Поэтому они выдвинули предположение, что последними неделимыми частицами материи являются атомы.

В литературе часто основные формы материи подразделяют на поле и вещество. Такое деление имеет некоторый смысл, но оно ограничено. Под веществом имеют в виду различные частицы и тела, которым присуща масса покоя, тогда как поля и их кванты массы покоя не имеют, хотя обладают энергией, импульсом и множеством других свойств. Но поле и вещество нельзя противопоставлять друг другу. Если рассматривать структуру вещества, то во всех системах внутреннее пространство будет “занято” полями, на долю собственно частиц приходится ничтожная часть общего объема системы (примерно 10 -36 – 10 -40 объема), то есть поля входят в структуру вещества. В свою очередь, квантами полей выступают частицы, относящиеся к веществу. В этой неразрывной взаимосвязи частиц и полей можно видеть одно из важнейших проявлений единства прерывности и непрерывности в структуре материи.

Частицы обладают относительной прерывностью и локализованностью в пространстве, тогда как поля непрерывно распределены в нем. При этом поля не являются абсолютно континуальными средами. При излучении и поглощении они проявляются относительно дискретно - в виде квантов: фотонов, мезонов и др. Кванты полей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные образования. Частицы вещества также нельзя представлять в виде каких - то микроскопических шариков с абсолютно резкими гранями. Частицы неотделимы от полей, и не существует абсолютно резкой границы, где кончается собственно частица и начинается ее внешнее поле. В пограничной области существует непрерывный взаимопереход полей и частиц.