Структурность и системность материи

Структурность и системность являются важнейшими атри­бутами материи. Они выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется. Под структурой материи понимают ее строение, существование в виде атомов, молекул, элементарных частиц и др. В понятие структуры материи включаются также различные макроскопические тела, все космические системы мегамира. Таким образом, материя в целом проявляется в существовании бесконечного многообразия систем, тесно связанных между со­бой. Из всего многообразия форм материи доступной для на­блюдения конечная область материального мира, которая лежит в области от 10^-15 см до 10²⁰ см (примерно 20 млрд световых лет). Во времени эта область простирается до 210¹ лет. В этих масштабах структурность материи осуществляется в виде мно­жества иерархически связанных систем: Метагалактика, отдель­ная галактика, звездная система, планета, отдельные тела, мо­лекулы, атомы, элементарные частицы.

Долгое время атом считали последним пределом делимости материи и тем кирпичиком, из которого сложены все предметы и явления нашего мира. Но уже к началу двадцатого века выясни­лось, что это не так. Были открыты электрон, протон, нейтрон и другие элементарные частицы. Число открываемых элементар­ных частиц все более возрастает и сейчас их известно более 300. У большинства элементарных частиц известны античасти­цы, отличающиеся противоположными знаками заряда и магнит­ного момента: электрон - позитрон, протон - антипротон, ней­трон - антинейтрон, нейтрино - антинейтрино и т.д. Все другие свойства античастиц аналогичны свойствам обычных частиц.. Из них могут образовываться устойчивые атомные ядра, атомы, молекулы и антивещество, подчиняющееся тем же законам, что и обычное вещество. При соприкосновении вещества с антиве­ществом происходит аннигиляция: превращение частиц и анти­частиц в фотоны и мезоны больших энергий.

Вещество и поле

Основные формы материи часто делят на вещество и поле. Такое деление имеет некоторый смысл, но оно ограничено. Под веществом понимают различные частицы и тела, которые обла­дают массой покоя. Поля обладают энергией, импульсом и множеством других свойств. В структуре вещества все внутреннее пространство «занято» полями. На долю собственно частиц приходится ничтожная часть общего объема системы- примерно 10^-36 - 10^-40 объема, т. е. поля входят в структуру вещества. В тоже время квантами полей выступают частицы, относящиеся к веществу. В этой не­разрывной связи видно одно из важнейших проявлений единства прерывности и непрерывности в структуре материи. Частицы и поля дуалистичны. При этом поля не являются абсолютно континуальными средами, т.е. не являются сплошными материальными средами. При излучении и поглощении они проявляются относительно дискретно - в виде квантов, фотонов, мезонов и т.д. Кванты по­лей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные образования. Микрочастицы вещества обладают двойственной природой: природой частицы и волны одновременно. Их волновые свойства описываются уравнением волны де Бройля λ =h/p, где h - постоянная Планка, p=mv, m -масса частицы, v - скорость ее движения.

И поле, и вещество обладают определенными физическими параметрами. Так, волна описывается длиной, фазой, амплиту­дой и их изменениями во времени и пространстве. Частица ха­рактеризуется иным набором параметров: спин, заряд, масса покоя, время жизни и ряд квантовых чисел.

Важнейшей характеристикой микрочастицы является спин, собственный момент количества движения. В классической ме­ханике такая величина характеризует вращение тела. Но для микрочастиц такое определение теряет смысл, так как элемен­тарные частицы невозможно представить вращающимися кро­хотными волчками. Для микрочастиц спин характеризует внут­реннюю степень свободы, обеспечивающую ей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значе­ния, спин квантуется, т.е. принимает определенные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка. Коэффициент пропорциональности называется спиновым квантовым числом. У одних частиц он имеет целочисленное значение (0,1,2), а у других - полуцелые значения (1/2, 3/2...).

ПРОСТРАНСТВО и ВРЕМЯ - основные формы существо­вания материи и в этом проявляется их универсальность и всеобщность. Традиционно считается, что пространство трёхмерно. Это очень убедительно показано П.С.Эренфестом. Время имеет одно измерение. Пространство выражает порядок расположения одновременно существующих объектов. Время показывает последовательность существования сменяющих друг друга явлений - от прошлого к будущему. Развитие естествозна­ния показало, что пространство и время не могут существовать независимо от материальных процессов и отдельно друг от дру­га. Пространство и время не просто связаны с движущейся ма­терией. Движение материи - это сущность пространства и вре­мени. Естествознание XVII-XIX вв., трактуя объективность про­странства и времени, рассматривало их, вслед за Ньютоном, в отрыве друг от друга, как нечто самостоятельное, существующее совершенно независимо от материи и движения. В соответствии с атомистическими взглядами древних натурфилософов (Демок­рит, Эпикур) естествоиспытатели почти вплоть до XX в. отожде­ствляли пространство с пустотой, считая его абсолютным, все­гда и повсюду одинаковым и неподвижным, а время - протекаю­щим равномерно. Современная физика отбросила старые пред­ставления о времени как едином для всей бесконечной Вселен­ной и о пространстве как пустом вместилище тел.