Структурная организация материи

Структура (лат - строение, расположение, порядок) есть совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих сохранение его основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях. В современной науке данное понятие часто употребляется в смысле системы или орга­низации, хотя здесь имеются некоторые различия в содер­жании и объеме. «Система» указывает на «все множество проявлений некоторого сложного объекта (его элементы, строение, связи, функции и т.д.); структура выражает лишь то, что остается устойчивым, относительно неизменным при различных преобразованиях системы; организация же включает в себя как структурные, так и динамические ха­рактеристики системы, обеспечивающие ее направленное функционирование». Рассмотрение структурных аспектов материи, предполагает, таким образом, акцентирование общих, устойчивых, относительно неизменных свойств и характеристик объектов материального мира.

Понятие структуры относится как к единичным, сколь угодно малым объектам, так и к целым классам или всей объективной реальности. Сами объекты обладают качественной определенностью, спецификой, отделяющей их от других объектов (существует категория отдельного). Данное обстоятельство выражено в таком фундаментальном свойстве материи, как дискретность, прерывность, дели­мость. Но качественная определенность не означает абсо­лютной изоляции объектов, она обеспечивается всей сово­купностью их свойств, объединенных внутренними и вне­шними связями. Наличие связей обусловливает существо­вание более сложных целостностей, вплоть до единства ма­териального мира как целого.

История философии и естествознания показывает, что, начиная с классического периода античности поиск основы мироздания, осуществлялся с акцентом на свойство прерывности материи. Идеи атомизма, сформулированные античными мыслителями Левкиппом и Демокритом, двадцать с лишним веков существовали прак­тически в неизменном виде, если не считать, что естествоз­нание Нового времени отмечено немаловажным фактом — доказательствомих реальности. В XIX в. Д. И. Менделее­вым была обоснована единая природа атомов, и только в конце столетия с открытием Дж. Томсоном электрона (от­рицательно заряженной частицы, которая входит в состав всех атомов) началось изучение его строения.

Томсон же предложил и первую модель атома (сгусток материи, обладающий положительным электрическим за­рядом, нейтрализующим вкрапленные в него электроны). Другая модель атома (планетарная, или ядерная) разрабо­тана Э. Резерфордом. Здесь электроны движутся вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Установлена мерность атома, ядра, соотношений элементов, раскрыты условия взаимопревращений химических веществ одного в другое. Затем была создана квантовая модель Н. Бора, согласно ко­торой атомы могут иметь стационарное состояние, в кото­ром не излучается энергия, и нестационарное, когда проис­ходят переходы электрона с орбиты на орбиту с излучением или поглощением одного фотона (частицы поля). Дж. Франк и Г. Герц экспериментально подтвердили положения кон­цепции Бора. Однако модель оказалась хороша только для описания атома водорода. Для описания сложных атомов потребовалась радикальная перестройка механики и элек­тродинамики. Через десяток-другой лет были созданы фи­зические теории — квантовая механика и квантовая элект­родинамика, анализировавшие строение и свойства элемен­тов на новом уровне.

В XX в. было открыто огромное количество элементар­ных частиц, включая античастицы, имеющие заряды, про­тивоположные частице (электрон — позитрон; протон — антипротон), или дробные заряды (кварки). В современной физике этот термин употребляется для наименования боль­шой группы мельчайших частиц материи, не обязательно неделимых, но не являющихся атомами или атомными яд­рами. Не случайно мир элементарных частиц называют еще субатомным. Элементарные частицы по тем или иным при­знакам классифицируются. Например, по массе покоя они делятся на легкие частицы — лептоны, средние — мезоны, тяжелые — барионы. Существуют частицы и не обладающие массой покоя, это частицы полевых структур — фотоны.

С открытием нейтрона (1932) и созданием нейтронно-протонной модели атомного ядра (В. Гейзенберг, Дм. Ива­ненко) стала интенсивно развиваться ядерная физика. Она изучает свойства и структуру атомных ядер, а также их вза­имопревращения в результате ядерных реакций Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. Протоны и нейтро­ны объединяются в группу нуклонов.

Элементарные частицы представляют собой формы де­лимой, прерывной материи. Но материя обладает и проти­воположным свойством — непрерывностью. Из истории философии и науки известно, что мыслители обращались и к данному свойству. Примером может служить философия античной Греции, выдвигающая в качестве материальной основы мира различного рода стихии (вода у Фалеса, огонь у Гераклита). В естествознании волновая теория света X. Гюйгенса, «невесомые материи» Р. Декарта и И.Ньюто­на, феномен и понятие поля у М. Фарадея и Дж. Максвелла - свидетельствуют о попытке мышления «непрерывных» сто­рон материи.

Современная физика «прерывные» формы материи не­разрывно связывает с «непрерывными», которые представ­лены четырьмя видами фундаментальных взаимодействий. Образующееся противоречие обусловливает единство вза­имодействующих частиц, системность, а в конце концов и субстанциальное единство мира.

Сильное взаимодействие вызывает процессы, протекаю­щие с наибольшей интенсивностью, и приводит к самой сильной связи частиц (протоны и нейтроны в ядре атомов). Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь электронов с ядрами, атомов в молекулах. Слабое взаимо­действие управляет взаимными переходами между различ­ными видами кварков или лептонов. Гравитационное вза­имодействие — всемирное тяготение, универсальное взаи­модействие между любыми видами физической материи. В теории элементарных частиц оно практически не учитыва­ется, поскольку в микромире оно проявляется как самое слабое. Однако на сверхмалых расстояниях и при сверхболь­ших энергиях гравитационное взаимодействие проявляет необычные свойства физического вакуума. Эта необычность состоит в том, что тяжелые виртуальные частицы (непре­рывно возникающие и исчезающие в очень короткое время) создают гравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства.

Каждый вид взаимодействия, являясь в определенных условиях ведущим, главным, выполняет функцию связи частиц, образующую тот или иной системный объект. Так, гравитация наиболее существенно проявляется в космосе, выступая в качестве фактора, объединяющего разнообраз­ные космические элементы в единое эволюционное целое. Без гравитации, имеющей неограниченный радиус дей­ствия, немыслим ни один крупный космический объект, ни одна космическая система. Вместе с тем в космических про­цессах представлены все виды взаимодействий, обеспечи­вающие закономерную связь микро-, макро- и мегаобъектов. Сами фундаментальные взаимодействия внутренне вза­имосвязаны. Современной наукой доказано, что при сверх­высоких температурах или энергиях все четыре взаимодей­ствия объединяются в одно.