Александр Садохин - Концепции современного естествознания

• Название: Концепции современного естествознания
• Автор: Александр Садохин
• Жанр: Воспитание детей, педагогика

В сжатой и доступной форме изложен полный курс дисциплины, освещены важнейшие современные концепции наук о неживой и живой природе. Является дополненным и переработанным вариантом учебного пособия, рекомендованного Министерством образования и науки РФ для изучения курса «Концепции современного естествознания».

Для студентов бакалавриата, магистрантов, аспирантов и преподавателей гуманитарного профиля, для учителей средних школ, лицеев и колледжей, а также для широкого круга читателей, интересующихся различными аспектами естествознания.

---

Галактики – совокупности звездных скоплений. Понятие «галактика» в современной интерпретации означает огромные звездные системы. Этот термин произошел от греческого слова «молоко, молочный» и был введен в обиход для обозначения нашей звездной системы, представляющей собой тянущуюся через все небо светлую полосу с молочным оттенком и поэтому названную «Млечный Путь».

Условно по внешнему виду галактики можно разделить на три вида. К первому (около 80 %) относятся спиральные галактики. У этого вида отчетливо наблюдаются ядро и спиральные «рукава». Второй вид (около 17 %) включает эллиптические галактики, т. е. такие, которые имеют форму эллипса. К третьему виду (примерно 3 %) относятся галактики неправильной формы, которые не имеют отчетливо выраженного ядра. Кроме того, галактики различаются размерами, числом входящих в них звезд и светимостью. Все галактики находятся в состоянии движения, причем расстояние между ними постоянно увеличивается, т. е. происходит взаимное удаление (разбегание) галактик друг от друга.

Наша Солнечная система принадлежит к Галактике Млечного Пути, включающей в себя не менее 100 млрд звезд, и поэтому относится к разряду гигантских галактик. Она имеет сплюснутую форму, в центре которой находится ядро с отходящими от него спиральными «рукавами». Диаметр нашей Галактики около 100 тыс. световых лет, толщина – 10 тыс. световых лет. Соседней с нами является галактика Туманность Андромеды.

Метагалактика – система галактик, включающая в себя все известные космические объекты.

Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, для измерения этих расстояний разработаны следующие специальные единицы.

1. Световой год – расстояние, которое проходит луч света в течение одного года со скоростью 300 000 км/сек, т. е. оно составляет 10 трлн км.

2. Астрономическая единица (а.е.) – это среднее расстояние от Земли до Солнца, равна 8,3 световым минутам. Это значит, что солнечные лучи, оторвавшись от Солнца, достигают Земли через 8,3 мин.

3. Парсек (пк) – единица измерения космических расстояний внутри звездных систем и между ними. 1пк равен 206 265 а.е., т. е. приблизительно 30 трлн км, или 3,3 световым годам.

Структура макромира. Каждый структурный уровень материи в своем развитии подчиняется специфическим законам, но при этом между этими уровнями нет строгих и жестких границ, все они теснейшим образом связаны между собой. Границы микро- и макромира подвижны, не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты построены из микро-объектов. Тем не менее выделим важнейшие объекты макромира.

Центральным понятием макромира является понятие вещества, которое в классической физике, являющейся физикой макромира, отделяют от поля. Под веществом понимают вид материи, обладающий массой покоя. Оно существует для нас в виде физических тел, которые обладают некоторыми общими параметрами – удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, теплопроводностью, электропроводностью, магнитными свойствами и т. п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий.

Структура микромира. На рубеже XIX–XX вв. в естественнонаучной картине мира произошли радикальные изменения, вызванные новейшими научными открытиями в области физики и затронувшие ее основополагающие идеи. В результате научных открытий были опровергнуты традиционные представления классической физики об атомной структуре вещества. Открытие электрона означало утрату атомом статуса структурно неделимого элемента материи и тем самым – коренную трансформацию классических представлений об объективной реальности. Новые открытия позволили, во-первых, выявить существование в объективной реальности не только макро-, но и микромира; во-вторых, подтвердить представление об относительности истины, являющейся только ступенькой на пути познания все более фундаментальных свойств природы; в-третьих, доказать, что материя состоит не из «неделимого первоэлемента» (атома), а из бесконечного многообразия явлений, видов и форм материи и их взаимосвязей.

Переход естественно-научных знаний с атомного уровня на уровень элементарных частиц привел ученых к заключению, что понятия и принципы классической физики оказываются неприменимыми к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи (микрообъектов) – таких как электроны, протоны, нейтроны, атомы, которые образуют невидимый нами микромир. В силу особых физических показателей свойства объектов этого мира совершенно не похожи на свойства объектов привычного нам макромира и далекого мегамира. Отсюда возникла необходимость отказа от представлений, которые навязаны предметами и явлениями макромира. Поиски новых способов описания микрообъектов содействовали созданию концепции элементарных частиц.

Согласно этой концепции, основными элементами структуры микромира выступают микрочастицы материи, которые не являются ни атомами, ни атомными ядрами, не содержат в себе каких-либо других элементов и обладают наиболее простыми свойствами. Такие частицы были названы элементарными, т. е. самыми простыми, не имеющими в себе никаких составных частей.

После того как было установлено, что атом является не последним «кирпичиком» мироздания, а построен из более простых элементарных частиц, поиск таких фундаментальных частиц занял главное место в исследованиях физиков. История их открытия началась в конце XIX в., когда в 1897 г. английский физик Д. Томсон открыл первую элементарную частицу – электрон. История открытия всех известных сегодня элементарных частиц прошла в два этапа.

Первый этап приходится на 1930–1950-е гг. К началу 1930-х гг. были открыты протон и фотон, в 1932 г. – нейтрон, спустя четыре года – первая античастица: позитрон, которая по массе равна электрону, но имеет положительный заряд. К концу этого периода стало известно о 32 элементарных частицах, причем каждая новая частица была связана с открытием принципиально нового круга физических явлений.

Второй этап приходится на 1960-е гг., кода общее число известных частиц превысило 200. На этом этапе основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. В 1970–1980-е гг. поток открытий новых элементарных частиц усилился, и ученые заговорили о семействах элементарных частиц. На данный момент науке известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и рядом других физических характеристик.

Все элементарные частицы обладают общими свойствами. Одно из них – свойство корпускулярно-волнового дуализма, т. е. наличие у всех микрообъектов как свойств волны, так и свойств вещества.

Другим общим свойством является наличие почти у всех частиц (кроме фотона и двух мезонов) своих античастиц. Античастицы – элементарные частицы, схожие с частицами по всем признакам, но отличающиеся противоположными знаками электрического заряда и магнитного момента. После открытия большого числа античастиц ученые заговорили о возможности существования антивещества и даже антимира. При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции – превращение частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий (вещество превращается в излучение).

Еще одним важным свойством элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость. Этого свойства нет ни в макро-, ни в мегамире.

5.2. Классификация элементарных частиц

Элементарные частицы являются основными «кирпичиками», из которых состоят как материя, так и поле. При этом все они неоднородны: одни являются составными (протон, нейтрон), другие – несоставными (электрон, нейтрино, фотон). Частицы, которые не являются составными, называются фундаментальными.

В целом элементарные частицы обладают довольно большим количеством характеристик. На основании некоторых из них ученые произвели их классификацию.

Одной из важных характеристик частиц является их масса. Масса элементарной частицы – это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, который, в свою очередь, считается самой легкой из всех частиц, имеющих массу. В зависимости от массы покоя все частицы можно разделить на несколько групп:

• частицы, не имеющие массы покоя, – фотоны, движущиеся со скоростью света;

• лептоны (от «лептос» – легкий) – легкие частицы (их масса примерно в 207 раз больше массы электрона); к ним относятся электрон и нейтрино;

• мезоны (от «мезос» – средний, промежуточный) – средние частицы с массой от 1 до 1000 масс электрона; в эту группу входят восемь частиц, имеющих положительные, отрицательные и нейтральные заряды;