Концепция материи

Лекция 3: «Материя. Принципы организации материи»

Представления о материи, понимание ее роли во Вселенной и существования разумной жизни, в частности, человеческого общества, являются базовыми понятиями предмета «Концепции современного естествознания», необходимыми для системного изложения курса.

Материя – философская категория, отражающая объективную реальность структурности всех, без исключения, физических тел и процессов во Вселенной.

Отметим, что Вселенная является единственным объектом, представляющим собой совокупность абсолютно всех проявлений материи.

Объединенные и систематизированные знания о Вселенной составляют основу учения о глобальном единстве материального мира (космологии). Сходство известных человечеству процессов и явлений в различных участках космического пространства свидетельствует об универсальности наших научных знаний о Вселенной (космологический принцип), а открытые нами на Земле законы существования материального мира носят всеобщий характер.

Принципы организации материи представляют собой основные закономерности совместного функционирования ее структурных элементов. Рассмотрим наиболее важные для изучения естествознания.

Прежде всего, это Принцип единства материального мира, отражающий целостность его строения, всеобщую взаимосвязь его структурных элементов.

Так, взаимосвязаны все, без исключения, структурные элементы Вселенной (галактики, звездные системы, небесные тела): взаимозависимо движение планет вокруг Солнца, поведение человека в экосистеме и социуме, движение электронов в атоме. Примеров бесконечное множество.

Единство между различными уровнями организации материи выражает Принцип иерархичности, состоящий в преемственности структуры Вселенной, при которой меньшие системы входят, как составляющие элементы, в более крупные.

Например, электрон, протон, нейтрон формируют структуру атома, атомы создают молекулы, атомы и молекулы объединяются в макрообъекты живой и неживой Природы: материки, океаны, горные массивы, различные продукты цивилизации.

Принцип иерархичности позволяет предсказывать многие характеристики формирующих компонентов по результатам исследования системы в целом и наоборот, зная особенности строения элементов, судят о состоянии системы в целом.

Принцип перехода количественных изменений в качественные состоит в том, что изменение числа структурных элементов объекта ведет к его качественному изменению (потере или приобретению определенных свойств).

Например, молекула белка обладает молекулярной массой, исчисляемой сотнями тысяч атомных единиц массы и состоит из большого количества атомов различных химических элементов. Небольшое изменение ее элементарного состава ведет к появлению белковых молекул иного типа и функций.

Одна коралловая клетка мало жизнеспособна, но их колония - сообщество одноклеточных организмов для совместной защиты и питания активный и устойчивый участник экосистемы.

Отдельные насекомые, например, майский жук, ограничены в выборе способов питания, защиты, места обитания. Колониальные насекомые муравьи создают гораздо более жизнестойкую, активную самостоятельную структуру. Эти примеры иллюстрируют качественные изменения системы при увеличении количества ее элементов.

Принцип развития (эволюционности ) состоит в способности материальной структуры развиваться (самоорганизовываться) под действием изменяющихся факторов внешней среды.

Эволюционные процессы свойственны материальным структурам живой и не живой природы. Возникновение современных покрытосеменных растений, птиц, млекопитающих, появление человека примеры эволюции растительного и животного мира. Структурные и геометрические изменения мегамира: расширение Вселенной, формирование и разрушение галактик, звездных систем, динамические процессы, происходящие на звездах или планетах; явления в микромире: возникновение элементарных частиц, атомов, молекул; образование объектов макромира: гор, плато, озер, рек отражает эволюционность процессов в не живой природе.

Эволюционные процессы связаны с объективными тенденциями к установлению материального равновесия между системой и средой проходящими через неравновесность на разных уровнях структурной организации Вселенной. Например, гибель звезды (вспышка сверхновой), как неравновесного объекта означает одновременное возникновение нового, более равновесного комического тела; разрушение, оказавшегося в неравновесных условиях атома, означает возникновение новых, более равновесных, в данных условиях, микрочастиц.

Принцип обусловленности высших форм движения материи низшими по сути своей эволюционный и означает их структурную преемственность. Низшие формы, такие как механическая, физическая, химическая структурно обуславливают более совершенные биологическую и социальную.

Например, элементарными формами функционирования молекулы ДНК являются механическая (перемещение молекулы и ее участков во внешней среде), физическая (взаимодействие частиц на уровне энергетических полей), химическая (взаимопревращение молекул). Но их синтез приводит к возникновению весьма совершенной биологической формы движения материи, приводящей к возникновению организмов живой природы, в свою очередь, создающих еще более совершенную, социальную форму движения материи.

Принцип несводимости высших форм движения материи к низшим подчеркивает их качественное отличие, состоящее в усложнении структурной организации.

Сложность высших типов движения определяется системностью объединения более простых процессов в качественно новый, обладающий дополнительными свойствами. Но это не означает, что высшие формы движения материи, возможно, свести к группе низших. Например, биологическую форму движения молекулы ДНК нельзя свести к более примитивному механическому, физическому или химическому движению.

Закон сохранения материи говорит о том, что материя никуда не исчезает и не появляется из ничего, а лишь преобразуется из одного вида в другой.

Этот принцип распространяется на все виды материи, о которых будет сказано ниже. В самом деле, горение полена, одновременно, обуславливает появление золы, углекислого газа, паров воды, испускающих энергию микрочастиц целлюлозы, формирующих собственно "язык пламени". Процесс ржавления железа означает одновременно разрушение кристалла железа и возникновение микрокристаллов оксида железа.

Закон сохранения материи стал основой для многочисленных вариантов законов сохранения, с которыми вы познакомитесь ниже. Исключения из этого закона человечеству не известны.

Принцип минимума энергии (оптимальных энергозатрат) состоит в том, что все структурные элементы материи используют минимально необходимое количество энергии для создания предельно эффективных, в данной внешней среде, условий своего существования и участия в процессах. Действительно, частицы материи, какого бы размера они не были, расходуют только то, минимальное количество энергии, которое нужно для их нормального функционирования в данных условиях во Вселенной.

Например, в микромире: форма орбиты электрона в атоме определяется равнодействующей величины энергии ядра и структурой соответствующего электронного уровня. Собственные затраты энергии электрона в данных условиях близки к нулю, т.е. частица при движении по орбите практически не тратит энергии, что соответствует принципу минимума энергии.

В макромире, катящееся колесо обладает такой способностью только благодаря своей круглой форме. При этом, энергетические затраты сведены к минимуму. Для колеса квадратной формы движение требовало бы дополнительной энергии, т.е. стало бы энергетически не выгодным в нормальных условиях.

Всеобщность принципа минимума энергии подтверждена многочисленными экспериментами в различных научных областях. Ни одного исключения за все время научных исследований найдено не было.

Закон сохранения энергии состоит в том, что энергия никуда не исчезает и не пропадает, а только преобразуется из одного вида в другой.

Принцип объективной реальности существования материи, означающий независимость ее существования от уровня нашего сознания, способности к восприятию ее объектов и явлений.

Действительно, материя существует сама по себе, вне зависимости от нашего сознания и понимания проходящих в ней процессов. Наше незнание, каких – либо особенностей организации материального мира ни в коей мере не изменяет его строения или свойств. Так, Луна – естественный спутник Земли независимо от наших знаний о ней. Это объективная реальность. Солнце – звезда, образующая нашу звездную систему. И это тоже объективная реальность. Существование различных звездных систем, созвездий, галактик не зависит от нашего знания о них или понимания их функциональных механизмов.

Возможность нашего восприятия объективной реальности, применения для познания Природы экспериментальных и расчетных методов исследования обусловлена существованием Принципа познаваемости, материального мира, говорящего о бесконечной возможности получения новых знаний о нем и их применении человечеством на различных этапах развития цивилизации.

Принцип субъективности получаемой нами информации о материальном мире определяется вечной ограниченностью наших возможностей для его восприятия во всей сложности и многообразии. Расширяя научную базу познания за счет повышения чувствительности методов исследования, увеличения диапазона их возможностей мы идем по пути бесконечной объективизации научных знаний о материальном мире.

Принцип достоверности наших знаний означает стремление науки получать максимально точные научные данные. Но достоверность не может быть абсолютной. Ее степень определяется уровнем развития техники, применяемыми инструментами познания, разносторонностью подходов к изучаемым объектам. Чем современнее теории, экспериментальное оборудование и разностороннее подход, тем достовернее и объективнее наши знания о материальном мире.

Проблему достоверности призван решать Принцип дополнительности Н. Бора (1885 - 1962), согласно которому состояние объекта или течение процесса наиболее полно может быть описано бесконечным количеством независимых (дополнительных) характеристических параметров раскрывающих различные стороны его состояния или функционирования, но не связанных друг с другом общими математическими выражениями, одновременно не определяемых одним и тем же инструментальным методом.

Например, характеристика частицы связана с необходимостью определения ее координаты и импульса. Одновременное измерение этих дополнительных (математически независимых) величин одним и тем же инструментальным методом невозможно. Но, получив их различными эмпирическими путями, мы создаем обобщенную характеристику избранного объекта взаимно дополняющими параметрами.

Элементарные частицы, атомы, молекулы невозможно увидеть не вооруженным глазом, но объективность их существования подтверждена многочисленными независимыми инструментальными исследованиями.

Важнейшим положением концепции материи стал разработанный великим французским математиком Пьером Лапласом (1749 – 1827) Принцип причинности (детерминизма), состоящий в том, что если известны выраженные произвольным способом характеристические параметры начального состояния материальных объектов (структурных элементов) и законы их преобразования в данных условиях (причина), то возможно предсказание результатов этого преобразования в последующий момент времени (следствие).

Значит, создав равные природным, начальные условия и прилагая равные внешние силы, ученые всегда могут повторить любое явление природы.

Так, строение и характер перемещения звездной системы в зоне действия черной дыры позволяют предсказать возможность и сроки ее гибели. Знание скорости и принципов движения атома в гигантском ускорителе позволяет предсказать степень его будущих структурных изменений. Совмещение двигателя определенной мощности и ходовой части заданной массы позволяет предсказать скоростные качества автомобиля.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое материя? В чем ее всеобщее проявление?

2. Сформулируйте основной космологический принцип.

3. В чем состоит принцип единства материального мира?

4. Что означает переход количественных изменений в качественные.

5. Сформулируйте принцип развития.

6. Принцип обусловленности высших форм движения материи низшими состоит в …….

7. Приведите формулировку закона сохранения материи.

8. Каково значение принципа минимума энергии?

9. Дайте определение принципу объективной реальности существования материи.

10. Сформулируйте закон сохранения энергии.

11. Сопоставьте закон сохранения материи с законом сохранения энергии.

12. В чем сущность принципа познаваемости, материального мира.

13. Принцип субъективности получаемой нами информации имеет всеобщее значение?

14. Дайте определение принципу детерминизма.

15. В чем состоит принцип причинности?

Лекция 4: «Свойства материи»

Бесконечность -одно из важнейших свойств материи, означает неограниченность тех или иных характеристик того или иного тела или явления, включая саму Вселенную.

Сегодня науке известна пространственно-временная или геометрическая бесконечность отражает отсутствие геометрических пределов увеличения или уменьшения объектов материального мира.

Действительно, учеными не установлены пространственно-временные границы Вселенной. Если исходить из размеров нашей планеты, то ученым давно известны небесные тела значительно больше Земли, например Юпитер, Уран, конечно, само Солнце. А ведь давно открыты звезды много больше Солнца по размеру. И пределов увеличения науке не известно.

Но мы прекрасно знаем и тела много меньше Земли. Например, шарик у нас в руках, молекула, атом, нейтрон, нейтрино. Более маленькие тела нам просто неизвестны. Но уменьшение также бесконечно, как и увеличение. Их поиск просто дело времени.

Ярким примером бесконечности изменения пространственно-временных параметров во Вселенной является неопределенность пределов расширения или сжатия самой Вселенной.

Пространственно-временная бесконечность материи во Вселенной активно исследуется астрономией с привлечением различных смежных научных дисциплин. С появлением все более совершенных научных методов, приборов и оборудования границы изучения материального мира постоянно расширяются. Большую роль в этом играют искусственные спутники Земли, международная космическая станция (МКС), летательные аппараты, направленные к планетам Солнечной системы (Марс, Венера, Юпитер) и за ее пределы.

Бесконечность структурная означает повторяемость общего плана строения структурных единиц Вселенной с изменением в сторону увеличения или уменьшения, например атом, планеты, звезды, звездные системы, галактики. Их характеризует массивный центр тяготения, вокруг которого в соответствии с законом всемирного тяготения вращаются тела, имеющие много меньшую, чем центральное тело массу.

Но известны нейтрально заряженные частицы, много меньше атомов, например, нейтроны, еще меньшие по размеру частицы - нейтрино. Миллиарды нейтрино потоками проходят через нашу Землю с субсветовой скоростью, практически не замечая ни ее, ни объектов на ней.

Очевидно, что человечество знакомо с очень небольшой частью структурных элементов Вселенной. Но наши знания постоянно расширяются.

Пределы структурной модификации формирующих Вселенную элементов, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения неизвестны.

Активно ведется исследование структурных элементов Вселеннойот мельчайших элементарных частиц, атомов, молекул до гигантских звездных скоплений, галактик, галактических систем.

Это всего лишь малая часть бесконечного структурного многообразия материи, которую человечество изучает, используя пока еще достаточно примитивное оборудование. Но оно постоянно совершенствуется.

Исследование известных, поиск новых элементарных частиц проводится в гигантских ускорителях (адронных колайдерах), современные инструментальные методы исследования: различные виды спектроскопии, методы ядерного магнитного резонанса и электронного парамагнитного резонанса позволяют получать информацию о строении атомов и молекул. Оптические: рефлекторные, рефракторные телескопы, различные модификации радиотелескопов составляют экспериментальную основу астрономии и астрофизики, позволяют изучать небесные тела, особенности их организации.

Вечное движение – способность всех, без исключения, тел во Вселенной воздействовать на структурные элементы окружающего пространства, обмениваясь при этом с ними энергией, что ведет к их всеобщему постоянному пространственно-временному перемещению (вечному движению) относительно хотя бы одной системы отсчета.

Науке не известен ни один объект, способный находится в покое относительно всех существующих во Вселенной систем отсчета одновременно («абсолютный покой»).

Всегда существует хотя бы одна система отсчета, относительно которой избранный объект находится в движении. Поэтому можно вести речь только о «покое относительном».

Наглядной иллюстрацией вечному движению может быть броуновское движение, отражающее колебания частиц у положения равновесия, перемещение их по объему сосуда при котором происходит их постоянное взаимодействие друг с другом и частицами среды.

Нарушение процесса вечного движения ведет к накоплению избыточной энергии у частицы и ее разрушению.

Значит, вечное движение свойство материи, означающее отсутствие абсолютного покоя для любого тела во Вселенной.

В соответствии с принципом минимальной энергетической затраты все физические тела во Вселенной стремятся к существованию с минимальной тратой энергии в данной внешней среде. Перерасход энергии ведет к немедленному разрушению тела. Проблема в том, что состояние внешней среды постоянно меняется. Ведь во Вселенной реально существуют только открытые системы, постоянно изменяемые за счет воздействия из вне.

И как только тело расположилось во внешней среде в соответствии с принципом минимума энергии, пролетевший рядом, например поток протонов изменяет состав внешней среды, делая ее для тела снова энергетически не выгодной. Тогда, в свою очередь, тело снова ищет энергетически выгодное положение. В свою очередь, тело также эволюционирует (изменяется под действием изменяющейся внешней среды) и перестает соответствовать прежним условиям.

И этот процесс поиска условий взаимного энергетического соответствия между телом и окружающей его средой вечен и недостижим, поскольку вечна изменчивость тела и среды, и из-за разницы в их структуре этот процесс никогда не будет для них одинаковым.

Например, движение Земли происходит из-за постоянного энергетического не соответствия планеты (тела) и других тел Солнечной системы, окружающего вакуума Вселенной (среды).

Очевидно, что для движения телу необходима энергия. Развивая, в след за И. Ньютоном представление о связи массы и силы взаимодействия между телами (закон Всемирного тяготения) А. Эйнштейн в специальной теории относительности приводит, ставшее широко известным выражение: E=mc2.

Оно показывает, что если у тела есть масса, значит, у него есть и энергия и наоборот. Не может тело иметь массу и не иметь энергии, как не может тело иметь энергию и не иметь массы.

Значит, энергию для постоянного движения тело черпает в своей массе, а среда в своей. Проблема, как уже говорилось, в вечном энергетическом и массовом несоответствии между телом и средой, что и определяет вечный поиск этого самого соответствия – вечное движение.

Уникальность, не тождественность любого объекта во Вселенной означает определенную индивидуальность даже однотипных структурных элементов или процессов, обусловленную неповторимостью окружающей их внешней среды (внешних условий).

Так два атома водорода не являются полной копией друг друга, две молекулы воды имеют пусть малые, структурные особенности, нет абсолютно одинаковых планет или звезд во Вселенной.

Свойство структурности материи в том, что все ее виды имеют структуру, т.е. состоят из отдельных элементов, формирующих абсолютно все физические тела, поля, вакуум. Для физических тел это атомы, молекулы, ионы; для полей это кванты; для вакуума это фермионы вакуума.

Системность означает структурное единство и функциональную взаимосвязанность формирующих физические тела единичных элементов (атомов, ионов, молекул) по отношению к внешней среде.

Все структурные элементы Вселенной: галактики, звездные системы, звезды, планеты тесно взаимосвязаны, формируя единую систему мега мира. Аналогично, системами являются тела макро мира: города, моря, горы, долины, люди, автомобили и т.д. Атомы и молекулы системы микро мира.

Особенно важно для нас то, что биогеосфера планеты Земля – единая система, разрушение равновесия в которой опасно для человечества.

Несотворимость и неуничтожимость материи означает принципиальную невозможность ее полного разрушения до абсолютной пустоты или обратного процесса ее воссоздания из ничего.

В самом деле, любое уничтожение одного вида материи означает одновременное возникновение другого, более соответствующего данным внешним условиям.

Например, сгоревшее на костре полено, состоящее из молекул целлюлозы, преобразовалось в неорганические вещества золы, летучие частицы мономерных или димерных остатков полимерных молекул целлюлозы, излучающих энергию, в том числе видимой части спектра (пламя), молекулы углекислого и угарного газа.

Каждый раз ученые на месте разрушенных прежних частиц обнаруживают возникающие новые частицы. Причем процессы разрушения и возникновения одновременны.

С субъективной точки зрения, так будет продолжаться до достижения предела чувствительности фиксирующих приборов, но реально, процесс преобразования частиц материи бесконечен. Например, мы разрушаем полимерную молекулу ДНК до отдельных цепей, групп мономеров, отдельных нуклеотидов, свободных радикалов, атомов, после чего наш прибор показывает отсутствие какого-либо вещества, но это говорит лишь о чувствительности прибора. Его датчики перестали фиксировать вещество.

Симметрия означает инвариантность (неизменность) структурных элементов материи, их свойств или текущих материальных процессов относительно их перемещения в пространстве и времени.

Если перемещение во Вселенной каких-либо космических объектов само по себе не вызывает изменения их структуры или свойств, мы считаем их симметричными относительно данного типа воздействия. Астероиды могут путешествовать по звездной системе достаточно долго, оставаясь структурно неизменными относительно одной и той же системы координат, электроны в атоме инвариантны (симметричны) относительно ряда избранных систем отсчета, что обеспечивает их структурную устойчивость.

Способность к взаимопревращениям означает бесконечную структурную изменчивость материального мира.

Все виды материи бесконечно взаимно превращаемы. Это свойство – основа классической, ядерной химии, физики ядерных взаимодействий и многих других научных направлений. Например, самоподдерживающаяся цепная реакция взаимодействия дейтерия и трития (, аналогичная процессам, происходящим на Солнце, в водородной бомбе (термоядерном устройстве): + → + пример такой структурной изменчивости.

Другим примером может служить химическая реакция взаимодействия кислорода и водорода с получением воды и выделением достаточно большого количества теплоты: Взаимодействие, например, электрона с его античастицей – позитроном ведет к полному превращению масс в энергию (аннигиляции): + = Q.

Отражение – способность (при взаимодействии) одного материального объекта оставлять след на поверхности другого: корабль плывет по поверхности воды, оставляя след, за самолетом тянется хвост отработанных газов, человек взял в руки предмет, оставив отпечатки своих пальцев. Отражение – своеобразная всеобщая способность объектов материального мира постоянно быть в тесной взаимосвязи.

Способность к саморазвитию (эволюционность) – замечательное свойство материи, позволяющее бесконечно адаптироваться к изменяющимся условиям внешней среды (основа эволюции). Саморазвитие не стихийно и не беспорядочно. Оно бесконечно разнопланово, как бесконечно разнообразны условия окружающего мира.

Изменение животного мира на протяжении сотен миллионов лет связано с изменяющимися условиями существования на нашей планете. Развитие мозга человека обусловлено необходимостью выживать в условиях постоянного преодоления разнообразных опасностей и трудностей. Эволюционные изменения звезд, начиная от зарождения протозвезды до ее гибели (вспышки сверхновой), расширение Вселенной связано с процессами, протекающими в глубинах космоса.

Первичность по отношению к сознанию. Вечный вопрос: что же первично, материя или сознание? Действительно, сознание у человечества ассоциируется со структурами, состоящими из структурных элементов - нейронов. Это головной, спинной мозг живых существ.

В нормальной физиологии доказано, поражение определенных частей головного и спинного мозга человека ведет к немедленной утрате определенного количества сознательных функций. Полное нарушение деятельности центральной нервной системы (ЦНС) превращает организм, в структуру управляемую на уровне скопления нервных клеток в различных органах и тканях простейшими безусловными рефлексами.

Значит, сознание и нервная ткань, формирующая ЦНС неразрывно связаны, причем последняя, выступает в роли материального носителя интеллекта. Таким образом, отсутствие материального носителя (нейронов) означает отсутствие любой по настоящему сознательной деятельности организма, как системы электромагнитных взаимодействий (импульсов) органических структур (например, тел нервных клеток), обеспечивающих организму максимально эффективное управление своими действиями. В общем случае, для существования сознания необходимы носители таких взаимодействий, какие - либо материальные структуры, которые должны были возникнуть предварительно. Иначе говоря, материя первична.

Вопросы для самоконтроля

1. Считаете ли Вы, что материя первична по отношению к сознанию?

2. Что дает способность материи к саморазвитию?

3. В чем состоит свойство отражения?

4. Что означает термин «способность к взаимопревращениям»?

5. Что означает симметрия, как свойство материи?

6. Что дает свойство материи «несотворимость и неучничтожимость»?

7. Системность – это свойство материи, означающее ….

8. Уникальность – особенность материи, позволяющая ей ….

9. Вечное движение невозможно без способности материи к ….

10. Что означает свойство материи «бесконечность»?

11. Какие виды бесконечности вы знаете?

12. Какое из свойств материи связано с понятием эволюции?

13. Что означает структурная бесконечность7

14. Как Вы понимаете вторичность сознания по отношению к материи?

15. Какое свойство материи означает взаимосвязь всех структурных элементов Вселенной?

Лекция 5: «Виды, формы существования, уровни структурной организации, формы движения материи»