Представления современной физики и астрономии о материи

В философии существует категория материи, которая используется для обозначения объективной реальности, существующей независимо от человеческого восприятия. В физике под понятием материя понимают все виды существования вещества. Как известно, вещество может находиться в различных агрегатных состояниях (твердом, жидком, газообразном и плазменном).

Изучением свойств вещества в его различных агрегатных состояниях занимаются физика твердого тела, физика жидкостей и газов, физика плазмы. Свойства и структуру материи на микроскопическом уровне изучают атомная физика, ядерная физика, физика элементарных частиц. Распределение и структуру материи во Вселенной изучает астрофизика.

Современная физика достигла колоссальных успехов в исследовании свойств материи на микроскопическом уровне. Сегодня структура материи известна вплоть до таких малых масштабов, как l₀» 10^-16 см. Чтобы было ясно, насколько мала эта величина, напомним, что размеры атомов в сотни миллионов раз больше и даже размер атомного ядра в тысячи раз больше, чем l₀. Однако, какова структура материи в масштабах, меньших чем l₀, науке пока не известно. Для ответа на этот вопрос необходимо строительство все более и более мощных ускорителей заряженных частиц, позволяющих изучать структуру частиц при очень высоких энергиях.

Каково распределение материи во Вселенной в современную эпоху? Мы живем на Земле, масса которой приблизительно равна М _Å» 6*10²⁷ г, радиус R _Å» 6400 км и, таким образом, средняя плотность r_Å» 5,5 г/см³. Земля — одна из девяти планет Солнечной системы. Наша звезда — Солнце — имеет массу M_¤» 2*10³³ г, радиус R_¤» 6,9*10⁵ км, среднюю плотность r_¤» 1,4 г/см³, находится от Земли на расстоянии, приблизительно равном 1,5*10¹³ см, которое свет проходит за 499 с = 0,0058 сут. Это расстояние называют астрономической единицей и сокращенно обозначают а. е. Самая далекая от Солнца планета Плутон находится от него на расстоянии, приблизительно равном 39,75 а. е.

Солнце вместе с его планетной системой— это лишь одна из звезд нашей Галактики. Наша звездная система состоит приблизительно из 2*10¹¹ звезд. Если бы мы могли взглянуть на нее со стороны, то увидели бы, что наша Галактика представляет собой дископодобное образование, утолщающееся к центру.

Этот диск неоднороден: он имеет спиральную структуру и вращается с переменной угловой скоростью, большей в центральных областях диска, меньшей на его периферии. Расстояния в нашей и других галактиках обычно исчисляются парсеками:

1 парсек (1 пс)» 3*10¹⁸ см» 3,2 светового года = 206 265 а. е. Толщина Галактики вблизи Солнца приблизительно равна 2000 пс, диаметр ее диска 30 000 пс. Солнце вместе с его планетной системой находится вблизи края Галактики, приблизительно в 10000 пс от ее центра. Кроме звезд в Галактике имеются и другие виды материи (пыль, межзвездный газ, космические лучи), но их мало. Они составляют всего несколько процентов от ее полной массы.

Как распределена материя в масштабах, значительно превышающих размеры галактик? Можно поставить вопрос и иначе: какова вообще иерархия структур, образуемых материей во Вселенной?

Оказывается, одиночные галактики встречаются редко. Подавляющее большинство их образует скопления, насчитывающие сотни и тысячи членов. Скопления не «рассыпаются» на отдельные галактики по тем же причинам, по которым галактики не «рассыпаются» на отдельные звезды. И те и другие держатся силами собственного тяготения, или, как говорят, являются гравитационно связанными объектами. Размеры скоплений галактик исчисляются мегапарсеками (Мпс), т. е. миллионами парсек. Скопления галактик, в свою очередь, образуют сверхскопления, содержащие десятки членов. Может быть, нашему продвижению вверх по лестнице масштабов космических структур не будет конца? Например, сверхскопления должны объединяться в сверхсверхскопления и т. д.? Оказывается, что это не так. Согласно данным современных астрономических наблюдений, сверхскопления являются наиболее крупными структурными образованиями в Метагалактике — наблюдаемой части Вселенной. Галактики, их скопления, сверхскопления — это элементы ячеистой структуры. Размеры ячеек — сотни мегапарсек, толщина их стенок порядка 2 — 4 Мпс. Крупные скопления располагаются в узлах ячеек. Сверхскопления представляют собой элементы этой ячеистой структуры. В масштабах, превышающих тысячи мегапарсек, Вселенная бесструктурна. Более того, можно утверждать, что в таких масштабах она вообще однородна и изотропна, т. е. ее свойства везде одинаковы. Здесь нет противоречия с тем, что в меньших масштабах (сравнимых с размерами планет, звезд, галактик, их скоплений) это не так. Точно так же можно говорить, например, об однородном распределении плотности помещенного в сосуд газа, хотя в малых, сравнимых с размерами отдельных молекул масштабах однородность, конечно, резко нарушается.

Вместе с тем материя во Вселенной, возможно, существует и в каких-то других, трудно доступных наблюдениям формах. Например, есть основания полагать, что во Вселенной может быть много нейтрино. Эти частицы настолько слабо взаимодействуют с веществом, что, если даже плотность нейтрино во Вселенной р_н > Р_крит, все равно прямыми физическими методами обнаружить их невозможно при современном уровне развития техники. Поэтому вопрос о будущем Вселенной на сегодняшний день открыт.