Естественнонаучные представления о структуре и свойствах материи

От философского понятия «материя», определение которого связано с признанием лишь свойства быть объективной реальностью, следует отличать современные представления о структуре и свойствах материи, которые, разумеется, изменяются с каждым новым открытием в области естествознания. Каковы же современные естественнонаучные представления о структуре и свойствах материи?

Каждое материальное образование, отдельная вещь представляет собой единство вещества и поля. Причем главное отличие вещества от поля заключается в том, что вещество обладает массой покоя, механической массой, тогда как электромагнитное, гравитационное и другие поля, а также нейтрино массой покоя не обладают.

Имеется ряд других отличий: вещество относительно непроницаемо, скорость движения частиц всегда меньше скорости света; вещество по преимуществу дискретно, в нем наблюдается значительно большая концентрация массы и энергии. Напротив, поле не имеет массы покоя, легко проницаемо, обладает преимущественно волновой природой, характеризуется слабой концентрацией массы и энергии, а также скоростью света.

Абсолютной границы между веществом и полем нет. Дело в том, что они предполагают друг друга, соответствующие поля присутствуют в любом вещественном образовании, обеспечивая его целостность. Различие их свойств весьма относительно. Ядерное поле, например, как и вещество, малопроницаемо, а вещество, в свою очередь, проницаемо для такой частицы, как нейтрино, которая может легко пролететь даже сквозь толщу земного шара.

Вещество и поле могут взаимно превращаться друг в друга. Например, при столкновении электрона и позитрона, обладающих вещественными свойствами частиц, образуются два фотона (кванта света), т.е. вещественная форма превращается в полевую форму материи. При этом выделяется огромное количество энергии (1 г вещества дает 25 млн. квт/ч). Важно отметить, что в данном случае не происходит уничтожения материи как таковой.

Вещество как одно из важнейших видов материи состоит из молекул и может находиться в пяти различных состояниях – твердом, жидком, газообразном, плазменном и нейтронном.

В твердом веществе взаимодействие между составляющими тело молекулами оказывается значительно сильнее, чем между ними и окружающими процессами, явлениями, телами. Отсюда четкая дифференциация тел макромира, сохранение ими своей качественной определенности. Но это не означает, что в макротелах нет никакого внутреннего движения: просто это движение происходит незаметно для глаз.

В жидкости указанные взаимодействия в силу возрастания скорости движения частиц ослабевают и вещество приобретает форму сосуда, в который помещается жидкость.

Газообразное состояние вещества предполагает еще большую свободу в перемещении молекул, так что газ «стремится» занять все предоставленное ему пространство.

Плазма - это такое состояние вещества, когда в его атомах в результате нагревания до многих миллионов градусов деформируются электронные оболочки, возможны реакции ядерного синтеза (подобные процессы имеют место на Солнце).

Наконец, нейтронное состояние вещества предполагает его уплотнение до такой степени, что структура атомов нарушается, электронные оболочки «снимаются», а размеры атома оказываются практически размерами ядра, так что1 куб. см такого вещества имеет массу в 100 млн. т (вещество «черных дыр», т.е. таких небесных тел, которые в силу огромной гравитации не испускают даже электромагнитного излучения).

Каждой элементарной частице вещества соответствует античастица: электрону – позитрон (положительный электрон), нейтрону – антинейтрон и т.д. Античастица отличается от частицы либо спином, либо противоположным зарядом. Однако антивещество, состоящее из античастиц, было бы неверно называть «антиматерией»; состоящим из антивещества телам, антимирам были бы свойственны законы развития, аналогичные законам окружающего нас мира.

Молекулы состоят из атомов, атомы же в свою очередь состоят из ядра и вращающих вокруг него электронов. Размеры его можно сравнить с Солнечной системой, где размеры Солнца на много порядков меньше размеров Солнечной системы. Диаметр атомного ядра составляет примерно 10-13 см, а самого атома – 10-8 см, т.е. на пять порядков больше. Размеры и масса электрона составляют соответственно всего лишь 5,6 *10-13 см и 9,1 *10-28 г.

Атом является устойчивой системой, в которой электроны удерживаются на своих орбитах благодаря притяжению противоположных зарядов электрона и протона, а также за счет своеобразного обмена ядра с фотонами: таким способом компенсируются центробежные силы. Стабильность же ядра, состоящего из нуклонов, обеспечивается за счет быстрого обмена между ними пимезонами.

Существенно, что все элементарные частицы обладают корпускулярно-волновыми свойствами. В структурном отношении они являются сложными системными образованиями, в составе которых обнаружены еще более загадочные кварки и глюоны. Тем самым подтвердилось предсказание о том, что электрон также неисчерпаем, как и атом.

Копускулярно-волновая природа микрочастиц, в частности электронов, исключает возможность одновременного определения их скорости и точного местоположения. Описать все это можно только с помощью волновой функции Шредингера, поскольку электрон похож на диффузное облако, меняющее при движении свою форму.

В настоящее время известно более 300 элементарных частиц (включая античастицы, многие из которых «живут» всего лишь миллионные доли секунды). Возможность взаимопревращения некоторых из них свидетельствует о сложной системе элементарных частиц.

Человечеству на сегодняшний день известны 107 химических элементов, которые различаются по своим свойствам и составляют все многообразие известной нам материальной действительности. Д.И. Менделееву удалось систематизировать все химические элементы, найдя периодический закон зависимости свойств элементов от их атомного веса (точнее, от положительного заряда ядра атома).

Из химических элементов состоят все вещества живой и неживой природы. При этом макротела и космические системы организованы таким способом, что образуют структурные уровни, объекты которых находятся в сложной взаимосвязи с объектами других уровней.

В неживой природе различают такие уровни, как субатомный, атомный, молекулярный, макротел, а также планетарный, Солнечной системы, Галактики, Метагалактики. В живой природе имеются свои уровни – субклеточный (органоидный), клеточный, органный, организменный (многоклеточного организма), популяционно-видовой, биоценотический, биосферы в целом (преобразованную с помощью труда и разума часть биосферы В.И. Вернадский называл «ноосферой»). В обществе имеют место следующие уровни: человек, семья, производственный коллектив, социальная группа, классы, нации, государства, система государств, общество в целом. В состав общества входит «вторая», искусственная природа, в частности, техника, где можно различать информационно-регулятивные и энергетические устройства и системы. Каждому из уровней присущ свой способ взаимодействий, свои закономерности развития, а также функционирования, если речь идет о сферах живой природы, общества и техники.

Все структурные уровни могут рассматриваться как своеобразные качественные узлы развивающейся материи, этапы глобальной эволюции.

Связь системно-структурного и исторического подходов особенно хорошо просматриваются в области живой природы. Так, клетка в системно-структурном аспекте соотносится с многоклеточным организмом по типу части и целого, а в эволюционном, историческом, плане выступает исходной «клеточкой» многоклеточного организма в буквальном смысле слова. По кольцам, слоям пня можно определить возраст дерева, темпы роста его в разные периоды времени и т.д. Образно говоря, каждый уровень структурной организации материи выступает застывшей формой, сменившей свой временной облик на пространственный.