Раздел III. Структурные уровни и системная организация материи

Тема 3.1. Микро-, макро-, мегамиры

OОсновные понятия

Вселенная в разных масштабах: микро-, макро- и мегамир

Критерий подразделения: соизмеримость с человеком (макромир) и несоизмеримость с ним (микро- и мегамир)

Основные структуры микромира: элементарные частицы, атомные ядра, атомы, молекулы

Основные структуры мегамира: планеты, звёзды, галактики

Единицы измерения расстояний в мегамире: астрономическая единица (в Солнечной системе), световой год, парсек (межзвёздные и межгалактические расстояния)

Звезда как небесное тело, в котором естественным образом происходили, происходят или с необходимостью будут происходить реакции термоядерного синтеза

Атрибуты планеты:

- не звезда

- обращается вокруг звезды (например, Солнца)

- достаточно массивно, чтобы под действием собственного тяготения стать шарообразным

- достаточно массивно, чтобы своим тяготением расчистить пространство вблизи своей орбиты от других небесных тел

Галактики — системы из миллиардов звёзд, связанных взаимным тяготением и общим происхождением

Наша Галактика, её основные характеристики:

- гигантская (более 100 млрд. звёзд)

- спиральная

- диаметр около 100 тыс. световых лет

Пространственные масштабы Вселенной: расстояние до наиболее удалённых из наблюдаемых объектов более 10 млрд. световых лет

Вселенная, Метагалактика, разница между этими понятиями

Типы материальных систем и соответствующие им структурные уровни (формы) материи:

· элементарные частицы и физические поля;

· атомы, ионы, молекулы;

· макроскопические тела различных размеров;

· геологические системы;

· планеты

· звезды и их планетные системы;

· внутригалактические системы (диффузные туманности, звездные скопления);

· галактики;

· системы галактик;

· Метагалактика.

В настоящий момент предложено выделять 5 уровней материального мира: гипомир (микромир в микромире), микромир, макромир, мегамир, гипермир (сверхмегамир). Им соответствуют расстояния от 10^–33 см до 10²⁸ см. Исследуемый современной наукой мир охватывает расстояния в диапазоне более чем 60 порядков. Однако первый и последний уровни следует считать пока гипотетичными, лишь предсказываемыми теорией, но еще не ставшими экспериментально наблюдаемыми, достоверно установленными. Таким образом, реально выделяются три уровня строения материи(три качественно различные области) — микро-, макро- и мегамиры. На этих уровнях действуют свои специфические закономерности, однако они теснейшим образом взаимосвязаны.

Концептуальное осмысление действий деления объектов на микро-, макро- и мегаобъекты:

а) выделение макроявлений в особый класс имеет смысл не потому, что они описываются не такой концептуальной схемой, как микроявления, а исключительно в силу особой роли человека, выступающего в качестве осуществляющего познание существа,

б) в науке классификацию следует всегда ориентировать на соответствующую теоретическую базу, из которой надо извлекать критерий классификации;

в) квантовая механика имеет дело и с малым и с большим. Поэтому нет оснований для противопоставления друг другу микро-, макро- и мегаявлений.

Устройство Вселенной

Видимое вещество во Вселенной структурировано в звёздные скопления — галактики. Галактики образуют группы, которые, в свою очередь, входят в сверхскопления галактик. Сверхскопления сосредоточены в основном внутри плоских слоёв, между которыми находится пространство, практически свободное от галактик. Таким образом, в очень больших масштабах Вселенная имеет ячеистую структуру, напоминающую «ноздреватую» структуру хлеба. Однако на больших расстояниях (порядка 1 млрд. световых лет) вещество во Вселенной распределено однородно.

Помимо видимого вещества во Вселенной присутствует тёмная материя, проявляющаяся через гравитационное воздействие. Тёмная материя также сосредоточена в галактиках. Кроме того, имеется гипотетическая тёмная энергия, которая является причиной ускоренного расширения Вселенной. По одной из гипотез, в момент Большого взрыва вся тёмная энергия была «спрессована» в маленьком объёме, что и послужило причиной взрыва (по другим гипотезам тёмная энергия может проявляться лишь на больших расстояниях).

Согласно расчётам свыше 70 % массы во Вселенной приходится на тёмную энергию (если перевести энергию в массу по формуле Эйнштейна), свыше 20 % — на тёмную материю и лишь около 5 % — на обычное вещество.

Галактики представляют собой гигантские скопления звезд, связанных между собой силами гравитации. Содержат от нескольких миллионов до многих сотен миллиардов лет. Наряду со звездами в состав галактик входят межзвездный газ, межзвездная пыль, космические лучи.

Все небесные тела можно разбит на две группы:

1. испускающие энергию – звезды (гигантские раскаленные, самосветящиеся шары)

2. не испускающие энергию – планеты, кометы, метеориты, космическая пыль.

Установлено, что макроскопические свойства наблюдаемого мира, наличие галактик, звезд, планетных систем, жизни на Земле обусловлены небольшим количеством констант, характеризующих различные свойства элементарных частиц и основные типы фундаментальных взаимодействий. Для иллюстрации связи характеристик Вселенной с физическими константами представьте себе, что произошло бы при изменении этих констант.

1) Например, если бы масса электрона была в 3 - 4 раза выше ее нынешнего значения, то время существования нейтрального атома водорода исчислялось бы несколькими днями. А это привело бы к тому, что галактики и звезды состояли бы преимущественно из нейтронов и многообразия атомов и молекул в их современном мире просто не существовало бы.

2) Современная структура Вселенной очень жестко обусловлена также разницей в массах нейтрона и протона. Разность очень мала и составляет всего около 10^-3 от массы протона. Однако, если бы она была в три раза больше, то во Вселенной не мог бы происходить нуклеосинтез и в ней не было бы сложных элементов. Константа электромагнитного взаимодействия тоже не может существенно отклоняться от своего значения - 1/137. Если бы, например она была 1/80, то все частицы, обладающие массой покоя, аннигилировали бы. Вселенная состояла бы только из безмассовых частиц.

3) Всеми процессами во Вселенной управляют всего 4 вида сил. Это так называемые сильные взаимодействия, проявляющие себя в мире элементарных частиц; слабые взаимодействия, ответственные за большинство видов радиоактивного распада; электромагнитные силы, обеспечивающие взаимодействие между заряженными частицами; силы тяготения, или гравитации.