СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

 

Согласно современным научным взглядам на природу, все природные объекты представляют собой упорядоченные, структу­рированные, иерархически организованные системы. В естественных науках выделяются два больших класса мате­риальных систем: системы неживой природы и системы живой природы.

В неживой природе в качестве структурных уровней организа­ции материи выделяют элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, физический вакуум, макроскопические тела, планеты и пла­нетные системы, звезды и звездные системы — галактики, сис­темы галактик — метагалактику.

В живой природе к структурным уровням организации мате­рии относят системы доклеточного уровня — нуклеиновые кисло­ты и белки; клетки как особый уровень биологической организа­ции, представленные в форме одноклеточных организмов и элемен­тарных единиц живого вещества; многоклеточные организмы рас­тительного и животного мира; надорганизменные структуры, включающие в себя виды, популяции и биогеоценозы и, наконец, био­сферу как всю массу живого вещества.

B науке выделяются три уровня строения материи.

   - Макроми - мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах.

- Микромир — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10^-8 до 10^{-16 см, а время жизни — от бесконечности до 10-24} сек.

 - Мегамир — мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет.

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.

 

5.1 Макромир. Физическая картина мира

 

В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный.

Донаучный, или натурфилософский, охватывает период от античности до становления экспериментального естествознания в XVI—XVII вв. В этот период учения о природе носили чисто натурфилософский характер: наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов.

Поскольку современные научные представления о струк­турных уровнях организации материи были выработаны в ходе критического переосмысления представлений классической науки, применимых только к объектам макроуровня, то начи­нать исследование нужно с концепций классической физики.

Ключевым в физической картине мира служит понятие “материя”. Поэтому смена физической картины мира связано со сменой представлений о материи. В истории физики это происходило два раза. Сначала был совершен переход от атомистических корпускулярных представлений о материи к полевым – континуальным. Затем, в 20 веке, континуальные представления были заменены современными квантовыми. Поэтому можно говорить о трех последовательно сменявших друг друга физических картинах мира.

Формирование научных взглядов на строение материи от­носится к XVI в., когда Г. Галилеем была заложена основа пер­вой в истории науки физической картины мира — механиче­ской. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методо­логию нового способа описания природы — научно-теорети­ческого. Суть его заключалась в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические характеристики, кото­рые становились предметом научного исследования. Галилей писал: “Никогда я не стану от внешних тел требовать чего-либо иного, чем величина, фигура, количество и более или менее быстрого движения для того, чтобы объяснить возникновение вкуса, запаха и звука”. Выделение отдельных характеристик объекта позволяло строить теоретические модели и проверять их в условиях научного эксперимента. Эта методологическая концепция, впервые сформулированная Галилеем в труде “Пробирные весы”, оказала решающее влияние на становление классического естествознания.

И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небес­ных тел, и движение земных объектов одними и теми же зако­нами. Природа рассматривалась как сложная механическая система.

В рамках механической картины мира, разработанной И. Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (кор­пускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц — атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса.

Существенной характеристикой ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовой геометрии, которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи. Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Считалось, что все физические процессы можно свести к перемещению материальных точек под действием силы тяготения, которая является дальнодействующей.

Ключевым понятием механической картины мира было понятие движения. Именно законы движения Ньютон считал фундаментальными законами мироздания. Тела обладают внутренним врожденным свойством двигаться равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения связаны с действием на тело внешней силы (инерции). Мерой инертности является масса, другое важнейшее понятие классической механики. Универсальным свойством тел является тяготение.

Новая физическая гравитационная картина мира, опираю­щаяся на строгие математические обоснования, представлена в классической механике И. Ньютона. Ее вершиной стала теория тяготения, провозгласившая универсальный закон природы — закон всемирного тяготения. Согласно этому закону предметы притягиваются с силой, прямо пропорциональной их массе. Она изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Другими словами, если расстояние увеличивается вдвое, то сила тяжести уменьшается в 4 раза. За математическими выкладками Ньютона лежит озарение, которое пришло к ученому в саду, когда он увидел, как яблоко падает на землю. Эта легенда хорошо известна. Но даже если этого случая и не было в действительности, открытый закон справедлив: яблоко и Луна, булыжники и планеты - всем управляет одна и та же сила. Закон тяготения универсален.

Распространив на всю Вселенную закон тяготения, Ньютон рассмотрел и возможную ее структуру. Он пришел к выводу, что Вселенная является не конечной, а бесконечной. Лишь в этом случае в ней может существовать множество космических объектов — центров гравитации. Так, в рамках ньютоновской гравитационной модели Вселенной утверждается представление о бесконечном пространстве, в котором находятся космические объекты, связанные между собой силой тяготения.

Механистический подход к описанию природы оказался необычайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. На основе механической картины мира в 18 – начале 19 веков была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсолютизации механической картины мира.

Для создателей классической механики ее законы совпали с законами мышления. Образ устойчивого мира, связанный с детерминизмом механики, до ХХ века являлся идеалом теоретической физики и всей науки (детерминизм – философская концепция, признающая объективную закономерность и причинную обусловленность всех явлений природы и общества).

Однако были две области — оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины мира.

Было обнаружено, что если на пути света поместить непрозрачное тело с резкой гранью, то на границах резких теней можно ви­деть слабые участки освещенности в форме перемежающихся светлых и темных полосок или ореолов. Это явление было на­звано дифракцией света (рис.3). Волновая теория света объяснила как это явление, так и явление интерференции, т.е. появлению темных полосок при наложении света на свет (рис.4). Причина этого заключается в том, что согласно волновой теории, свет представляет собой не поток материальных частиц, а колебания упругой среды, или волновое движение. При наложении друг на друга цепочек волн появляются темные и светлые полосы.

Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика Дж.К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики o дискретном веществе как единственном виде материи. Изучение электромагнитных явлений и появление теории электромагнитного поля требовали пересмотра представлений о природе взаимодействия и по­ложили начало электромагнитной картине мира.

Явление электромагнетизма открыл датский естествоис­пытатель Х.К. Эрстед, который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, М.Фарадей обнаружил, что временное изменение в магнитных полях создает электрический ток. Осмысливая свои эксперименты, он ввел понятие “силовые линии” (рис.5). М.Фарадей, обладавший талантом экспериментатора и богатым воображением, с классической ясностью представлял себе действие электрических сил от точки к точке в их “силовом” поле (рис.6). На основе своего представления о силовых линиях он предположил, что существует глубокое родство электричества и света, и хотел построить и экспериментально обосновать новую оптику, в которой свет рассматривался бы как колебания силового поля.

Единая сущность света и электричества, которую М. Фарадей предположил 1845 г., а Дж.К. Максвелл теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментально подтверждена немецким физиком Г. Герцом в 1888 г. В экспериментах Г. Герца в результате искровых разрядов между двумя заряженными шарами появлялись электромагнитные волны. Когда они падали на круговой проволочный виток, то создавали в нем токи, о появлении которых свидетельствовали искры, проскакивающие через разрыв.

Итак, к концу ХIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.

- Вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности: вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно.

- Вещество и поле различаются по своим физическим ха­рактеристикам: частицы вещества обладают массой по­коя, а поле — нет.

- Вещество и поле различаются по степени проницаемо­сти: вещество мало проницаемо, а поле, наоборот, пол­ностью проницаемо.

- Скорость распространения поля равна скорости света, а скорость движения частиц вещества меньше ее на много порядков.

Взгляды на материю менялись кардинально: совокупность неделимых атомов переставала быть конечным пределом делимости материи. В качестве такового принималось единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами – электрическими зарядами и волновыми движениями в нем.

Движение принималось не только как простое механическое перемещение, первичным по отношению к этой форме движения становилось распространение колебаний в поле, которое описывалось не законами механики, а законами электродинамики.

Ньютоновская концепция абсолютного пространства не подходила к полевым представлениям. Поскольку поле является абсолютно непрерывной материей, пустого пространства просто нет. Так же и время неразрывно связано с процессами, происходящими в поле. Пространство и время перестали быть самостоятельными, независимыми от материи.

Не менялось в электромагнитной картине мира представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы. Идеи о качественной специфике жизни и разума с большим трудом прокладывали себе путь в научном мировоззрении.

Новая электромагнитная картина мира объяснила большой круг явлений, непонятных с точки зрения механической картины мира. Она глубже вскрыла материальное единство мира, поскольку электричество и магнетизм объяснялись на основе одних и тех же законов.

Принимая законы электродинамики в качестве основных законов физической реальности, А. Энштейн ввел в электромагнитную картину мира идею относительности пространства и времени. Так появилась общая теория относительности, ставшая последней крупной теорией, созданной в рамках электромагнитной картины мира.

 

                                         5.2 Микромир

 

В конце XIX — начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира, для описания которого кон­цептуальные построения классической физики оказались не­пригодными.

В результате научных открытий были опровергнуты пред­ставления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи.

Об атомизме Демокрита ( V век до н.э.) нобелевский лауреат, физик в середине ХХ века Р.Фейнман: « Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям перешла только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего числа слов принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это – атомная гипотеза. Все тела состоят из атомов – маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому».

В одной этой фразе содержится невероятное количество информации о мире, стоит только приложить к ней немного воображения и чуть соображения.

История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона — отрица­тельно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположе­ние о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Опыты английского физика Э. Резерфорда с альфа-частицами привели его к выводу о том, что в атомах существу­ют ядра — положительно заряженные микрочастицы, размер которых очень мал по сравнению с размерами атомов, но в которых почти полностью сосредоточена масса атомов. Модель атома, предложенная Резерфордом в 1911 г., напоминала солнечную систему: в центре нахо­дится атомное ядро, в котором сосредоточена основная масса атома, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны. Ядро имеет положительный заряд, а электроны — отрицательный. Вместо сил тяготения, действующего в Сол­нечной системе, в атоме действуют электростатические силы.

Исследования Мозли рентгеновских спектров позволили определить величину заряда ядра атома, которая оказалась равной порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И.Менделеева.

В дальнейшем было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращаться в атомы других в результате радиоактивно­сти, впервые открытой французским физиком А. А. Беккерелем. Вопросы радиоактивности различных элементов изучались французскими физиками Пьером и Марией Кюри.

Открытие сложной структуры атома стало крупнейшим событием в физике, поскольку оказались опровергнутыми представ­ления классической физики об атомах как твердых и неделимых, структурных единицах вещества.

При переходе к исследованию микромира оказались разрушенными и представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи. Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком M. Планком. В процессе работы по исследованию теплового излучения, которую M. Планк назвал самой тяжелой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях — квантах. Сумма энергий этих мельчайших порций энергии — квантов определяется через то колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую M. Планк ввел в науку под символом h: Е = hn, ставшим впоследствии знаменитым (где hn - квант энергии, n - частота). Это открытие послужило началом новой эры естествознания.

Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его был А. Эйнштейн. В 1905 г. он перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излуче­ние вообще и таким образом обосновал новое учение о свете.

Представление о свете как о дожде быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым, почти дерзким, в правиль­ность которого вначале поверили немногие. Прежде всего, с расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам М. Планк, относивший свою квантовую формулу только к рассматриваемым им законам теплового из­лучения черного тела. А. Эйнштейн предположил, что речь идет о естественной закономерности всеобщего характера. Не оглядываясь на гос­подствующие в оптике взгляды, он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускуляр­ную структуру света.

Теория А. Эйнштейна, развивающая взгляды М. Планка, позволила Н. Бору в 1913 г. применить принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных спектров, устранив тем самым противоречия, которые возникали при планетарной модели атома Э. Резерфорда. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

1) электрон может двигаться вокруг ядра, не излучая энергию только по определенным круговым орбитам;

2) при переходе электрона с удаленной орбиты на более близкую, атом излучает энергию в виде светового кванта.

Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электро­на, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными иными. Дальнейшее же распространение теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимыми трудностями.

Для того, чтобы сделать следующий шаг в познании атома, требовалось в корне изменить представление о движении микрочастиц.

В 1924 г. произошло одно из величайших событий в исто­рии физики: французский физик Луи де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. Он утверждал, что волновые свойства присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам.

Согласно де Бройлю, любому телу с массой m, движущемуся со скоростью v, соответствует волна l = h/mv. Фактически аналогичная формула была известна раньше, но только применительно к квантам света — фотонам.

В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер нашел математическое уравнение, описывающее движение микрочастиц, так называемое волновое уравнение.

Смелая мысль Луи де Бройля о корпускулярно-волновом “дуализме” позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве.

Наиболее убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 г. дифракции электронов американскими физиками К. Дэвисоном и Л. Джермером.

Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенностей, установленном немецким физиком В. Гейзенбергом, согласно которому положение электрона в пространстве неопределенно. Невозможно с одинаковой точностью ус­тановить место и скорость микрочастицы. Только одно из этих двух свойств можно определить точно.

С позиции квантовой механики представления Бора об атоме с его определенными орбитами электронов должны быть заменены описанием, при котором оценивается лишь вероятность нахождения электрона в том или ином месте пространства атома. Современным понятиям о движении электрона в атоме отвечает понятие об электронном облаке неравномерной плотности. Электрон как бы размазан в пространстве. Максимальная электронная плотность отвечает наибольшей вероятности нахождения электрона в данном объеме. Формы электронных облаков различны.

Состояние электронов в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами: главным, орбитальным, магнитным и спиновым.

Главное квантовое число n определяет общий запас энергии электрона и принимает значения 1, 2, 3, 4, . . ., ¥. Оно определяет номер слоя.

Орбитальное квантовое число l - связано с формой электронного облака на данном подуровне, и может принимать все целочисленные значения от 0 до n—1.

Элементы, атомы которых в нормальном состоянии содержат валентные s-электроны, называют s-элементами, p-электроны — p-элементами, d- и f-электроны d- и f-элементами.

Магнитное квантовое число m определяет дискретные возможные ориента­ции электронных облаков в пространстве относительно направле­ния внешнего магнитного поля. Магнитное квантовое число m связано с орбитальным квантовым числом l: оно принимает все целочисленные значения от —l до +l . Например для p-подуров­ня (l=1) возможны три значения m= -1, 0, +1. Число m определяет число орбиталей (ячеек) на данном подуровне.

Голландские физики Г. Е. Уленбек и С. А. Гоудсмит пришли к выводу (1925), что электрон обладает особыми свойствами, которые связаны с наличием у него спина (S —spin). Открытие спина как неотъемлемого физического свойства электрона оказало огромное влияние на последующее развитие физики атома, углубило пони­мание магнетизма вещества, позволило объяснить тонкую структуру спектра, эффект Зеемана и другие явления.

Спиновое квантовое число m_s характеризует собст­венное внутреннее движение электрона. m_s = ±1/2, в зависимости от одного из двух возмож­ных направлений спина электрона по отношению к орбитальному магнитному моменту в магнитном поле спиновое число имеет знак + или —. При “параллельной” установке спина S=-+l/2 (его обо­значают на схемах ­), при “антипараллельной” S= -1/2 (обозначают ¯).

Периодическая система Д. И. Менделеева представляет собой классификацию элементов по структуре электронных оболочек ато­мов. Распределение электронов в атомах элементов происходит в соответствии с принципом наименьшей энергии, принципом Паули и правилом Хунда.

Принцип Паули утверждает, что в атоме не может быть электронов с одинаковыми наборами всех четырех квантовых чисел — n, l, m_l и m_s.

Для обозначения распределения электронов в атоме (электрон­ная формула) принимается следующая система записи: впереди цифрой указывается электронный слой, затем буквой — подуровень и вверху, справа от буквы, цифрой — число электронов в слое. Например, возьмем атом хлора (С1), порядковый номер 17, элемент 3-го периода, VII главной подгруппы. В атоме в соответствии с номе­ром периода три электронных слоя, на которых по ячейкам (орбита­лям) размещается 17 электронов. С учетом “запрета” Паули форму­лу распределения электронов в атоме хлора можно выразить так: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵3d⁰. Это p-элемент, валентные электроны заполняют ячейки 3s² и Зp⁵ (рис 6).

Последовательность заполнения орбиталей атомов, начиная с более низких по энергии, характеризуется тем, что электроны пер­воначально по одному занимают разные орбитали и имеют парал­лельные спины. Выполняется правило Хунда: электроны занимают возможные вырожденные орбитали в атоме поодиночке с одинаковой ориентацией спинов, при этом суммарный спин максимален.

Дальнейшее проникновение в глубины микромира свя­зано с переходом от уровня атомов к уровню элементарных частиц. В качестве первой элементарной частицы в конце XIX в. был открыт электрон, а затем в первые десятилетия XX в. — фотон, протон, позитрон и нейтрон.

После второй мировой войны, благодаря использованию современной экспериментальной техники, и прежде всего мощным ускорителям, в которых создаются условия высоких энергий и громадных скоростей, было установлено существование боль­шого числа элементарных частиц — свыше 300. Среди них имеются как экспериментально обнаруженные, так и теорети­чески вычисленные, включая резонансы, кварки и виртуальные частицы.

Термин “элементарная частица” первоначально означал простейшие, далее ни на что неразложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина “элементарный” применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что части­цы имеют ту или иную структуру, но, тем не менее, исторически сложившееся название продолжает существовать.

Основными характеристиками элементарных частиц яв­ляются масса, заряд, среднее время жизни, спин и кванто­вые числа.

Массу покоя элементарных частиц определяют по отноше­нию к массе покоя электрона. Существуют элементарные час­тицы, не имеющие массы покоя, — фотоны. Остальные части­цы по этому признаку делятся на лептоны — легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны — средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы — тяже­лые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.

Электрический заряд является другой важнейшей характери­стикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каж­дой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют ан­тичастицы с противоположным зарядом. Приблизительно в 1963—1964 гг. была высказана гипотеза о существовании кварков — частиц с дробным электрическим зарядом. Эксперимен­тального подтверждения эта гипотеза пока не нашла.

По времени жизни частицы делятся на стабильные и не­стабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновид­ности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильные час­тицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все ос­тальные частицы нестабильны, они существуют около 10^-10 — 10^-24 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни

10^-23 — 10^-22с называют резонансами. Вследствие краткого времени жизни они распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Резонансные состояния вычислены теоретически, зафиксировать их в реальных экспериментах не удается.

Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием “спина”, или собственного момента количества движения микрочастицы, и понятием “квантовых чисел”, выражающих состояние элементарных частиц.

В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление — взаимодействия. Различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Свойства элемен­тных частиц определяются в основном первыми тремя видами взаимодействия.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей.

Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы — в молекулы.

Слабое взаимодействие возможно между различными части­цами. Оно простирается на расстояние порядка 10^-l5 — 10^{-22 см и связано главным образом с распадом частиц, например, с про­исходящими в атомном ядре.}

Гравитационное взаимодействие — самое слабое, не учиты­ваемое в теории элементарных частиц. В космиче­ских масштабах гравитационное взаимодействие (тяготение) имеет решающее значение.

Согласно современным представлениям, структура элемен­тарных частиц описывается посредством непрерывно возни­кающих и снова распадающихся “виртуальных” частиц. Напри­мер, мезон строится из виртуального нуклона и антинуклона, которые в процессе аннигиляции (лат. annihilatio, буквально уничто­жение) непрерывно исчезают, а затем образуются снова.

Удовлетворительной теории происхождения и структуры элементарных частиц пока нет. Многие ученые считают, что такую теорию можно создать только при учете космологических обстоятельств.

 

    5.3 Мегамир. Современные астрофизические и космологические концепции

 

Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систе­му всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд; звезд и звездных систем — галактик; системы галактик — Метагалактики.

Материя во Вселенной представлена сконденсировавшими­ся космическими телами и диффузной материей. Диффузная материя существует в виде разобщенных атомов и молекул, а также более плотных образований — гигантских облаков пыли и газа — газово-пылевых туманностей. Значительную долю ма­терии во Вселенной, наряду с диффузными образованиями, за­нимает материя в виде излучения. Следовательно, космическое межзвездное пространство никоим образом не пусто.

На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих, если не у большинства других галактик, “звездная субстанция” составляет более чем 99,9% их массы. В недрах звезд при температуре порядка 10 млн. град. и при очень высокой плотности атомы находятся в ионизированном стоянии: электроны почти полностью или абсолютно все отделены от своих атомов. Оставшиеся ядра вступают во взаимодействие друг с другом, благодаря чему водород, имеющийся в изобилии в большинстве звезд, превращается при участии углерода в гелий. Эти и подобные ядерные превращения являются источником колоссального количества энергии, уносимой излучением звезд.

Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы — так называемые кратные системы, состоящие из двух, трех, четырех, пяти и больше звезд, вращающихся вокруг общего центра тяжести. Компоненты некоторых кратных систем окружены общей оболочкой диффузной материи, источником которой, по-видимому, являются сами звезды, выбрасывающие ее в пространство и виде мощного потока газа.

Звезды объединены также в еще большие группы — звездные скопления, которые могут иметь “рассеянную” или “шаровую” структуру. Рассеянные звездные скопления насчи­тают несколько сотен отдельных звезд, шаровые скопления — многие сотни тысяч.

Звездные системы являются частями более общей системы — Галактики, включающей в себя помимо звезд и диффузную материю.

Большинство галактик имеет эллиптическую или спиралевид­ную форму. Галактика, внутри которой расположена Солнечная система, является спиральной системой, состоящей приблизитель­но из 120 млрд. звезд. Она имеет форму утолщенного диска. Наи­больший диаметр равен 100 тыс. световых лет.

Для объяснения структуры мегамира наиболее важным яв­ляется гравитационное взаимодействие. Всякое тело притягивает другое тело, но сила гравитации, согласно закону всемирного тяготения, быстро уменьшается с увеличением расстояния между ними. В газово-пылевых туманностях под действием сил гравитации происходит формирование неустойчивых неоднородностей, благодаря чему диффузная материя распадается на ряд сгущений. Если такие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течением времени они превращаются в звезды.

О механизме образования планет, в частности, в Солнечной системе, также нет общепризнанных заключений. Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце - звезда второго (или еще более позднего) поколения. Так что Солнечная система возникла на продуктах жизнедея­тельности звезд предыдущего поколения, скапливавшихся в газо-пылевых облаках.

Существует довольно много гипотез образования Солнечной системы. В качестве примера изложим гипотезу шведских астрономов X. Альвена и Г. Аррениуса. Они считают, что снача­ла из газо-пылевого облака возникает первичное тело, затем к нему извне поступает материал для образования вторичных тел. Мощное гравитационное воздействие центрального тела притягивает поток газовых и пылевых частиц, пронизываю­щих пространство, которому предстоит стать областью обра­зования вторичных тел.

Для такого утверждения есть основания. Были подведены итоги многолетнего изучения изотопного состава вещества метеоритов, Солнца, Земли. Обнаружены отклонения в изо­топном составе ряда элементов, содержащихся в метеоритах и земных породах, от изотопного состава тех же элементов на Солнце. Это говорит о различном происхождении этих эле­ментов. Отсюда следует, что основная масса вещества Солнеч­ной системы поступила из одного газопылевого облака и из него образовалось Солнце. Значительно меньшая часть веще­ства с другим изотопным составом поступила из другого газо­пылевого облака, и она послужила материалом для формиро­вания метеоритов и частично планет. Смешение двух газо­пылевых облаков произошло примерно 4,5 млрд. лет назад, что и положило начало образованию Солнечной системы.

Молодое Солнце, предположительно обладавшее значи­тельным магнитным моментом, имело размеры, превышавшие нынешние, но не доходившие до орбиты Меркурия. Его окру­жала гигантская сверхкорона, представлявшая собой разре­женную намагниченную плазму. Как и в наши дни, с поверхно­сти Солнца вырывались протуберанцы, но выбросы тех лет имели протяженность в сотни миллионов километров и дости­гали орбиты современного Плутона. Токи в них оценивались в сотни миллионов ампер и больше. Это способствовало стяги­ванию плазмы в узкие каналы. В них возникали разрывы, про­бои, откуда разбегались мощные ударные волны, уплотнявшие плазму на пути их следования. Плазма сверхкороны быстро становилась неоднородной и неравномерной. Поступавшие из внешнего резервуара нейтральные частицы вещества под дей­ствием гравитации падали к центральному телу. Но в короне они ионизировались, и в зависимости от химического состава тормозились на разных расстояниях от центрального тела, то есть с самого начала имела место дифференциация допланетного облака по химическому и весовому составу. В конечном счете выделилось три-четыре концентрических области, плот­ности частиц в которых примерно на 7 порядков превышали их плотности в промежутках. Это объясняет тот факт, что вблизи Солнца располагаются планеты, которые при относи­тельно малых размерах имеют высокую плотность (от 3 до 5,5 г/см ³), а планеты-гиганты имеют намного меньшие плот­ности (1-2 г/см³).

Сверхкорона, по мере накопления в ней выпадающего ве­щества, начинает отставать в своем вращении от вращения центрального тела. Стремление выровнять угловые скорости тела и короны заставляет плазму вращаться быстрее, а цен­тральное тело замедлять свое вращение. Ускорение плазмы увеличивает центробежные силы, оттесняя ее от звезды. Между центральным телом и плазмой образуется область очень низ­кой плотности вещества. Создается благоприятная обстановка для конденсации нелетучих веществ путем их выпадения из плазмы в виде отдельных зерен. Достигнув определенной мас­сы, зерна получают от плазмы импульс и далее движутся по кеплеровской орбите, унося с собой часть момента количества движения в Солнечной системе.

Выпавшие зерна, захватив часть момента количества дви­жения, следуют по пересекающимся эллиптическим орбитам. Множественные соударения между ними собирают эти зерна в бол