Иерархия структурной организации материи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Иерархия структур в микро -, макро - и мегамире

1.1 Микромиры

1.2 Макромиры

1.3 Мегамиры

2. Структура и ее роль в организации живых систем

Заключение

Библиографический список

Введение

Все объекты природы (живой и неживой природы) можно представить в виде системы, обладающими особенностями, характеризующими их уровней организации. Концепция структурных уровней живой материи включает представления системности и связанной с ней организацией целостности живых организмов. Живая материя дискретна, т.е. делится на составные части более низкой организации, имеющие определенные функции. Структурные уровни различаются не только классами сложности, но и по закономерности функционирования. Иерархическая структура такова, что каждый высший уровень не управляет, а включает низший. Диаграмма наиболее точно отражает целостную картину природы и уровень развития естествознания в целом. С учетом уровня организации можно рассматривать иерархию структур организации материальных объектов живой и неживой природы. Такая иерархия структур начинается с элементарных частиц и заканчивается живыми сообществами.

Концепция структурных уровней впервые была предложена в 20-х г.г. нашего столетия. В соответствии с ней структурные уровни различаются не только по классам сложностью, но по закономерностям функционирования. Концепция включает в себя иерархию структурных уровней, в которой каждый следующий уровень входит в предыдущий. Всякая система есть целое, образованное взаимосвязанными и взаимодействующими его частями. Поэтому процесс познания природных и социальных систем может быть успешным только тогда, когда в них части и целое будут изучаться не в противопоставлении, а во взаимодействии друг с другом.

Цель данной работы заключается в изучении иерархии структурной организации материи.

1. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

1.1 Микромиры

В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета и т.д. может быть рассмотрен как система - сложное образование, включающее составные части, элементы и связи между ними. Элемент в данном случае означает минимальную, далее неделимую часть данной системы.

Демокритом в античности была выдвинута Атомистическая гипотеза строения материи. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свойства атома. В XIX в. Д.И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.

В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии. Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А.А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном превращении атомов одних элементов в атомы других элементов. В 1895 г. Дж. Томсон открыл электрон - отрицательно заряженную частицу, входящую в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Существовало несколько моделей строения атома.

Выявлены специфические качества микрообъектов, выражающиеся в наличии у них как корпускулярных (частицы), так и световых (волны) свойств. Элементарные частицы - простейшие объекты микромира, взаимодействующие как единое целое. Известно более 300 разновидностей. В первой половине ХХ в. были открыты фотон, протон, нейтрон, позднее - нейтрино, мезоны и другие. Основные характеристики элементарных частиц: масса, заряд, среднее время жизни, квантовые числа. Все элементарные частицы, абсолютно нейтральны, имеют свои античастицы - элементарные частицы, обладающие теми же характеристиками, но отличающиеся знаками электрического заряда. При столкновении частиц происходит их уничтожение (аннипиляция).

Стремительно возрастает количество открытых элементарных частиц. Их объединяют в «семейства» (мультиплеты), «роды» (супермультиплеты), «племена» (адроны, лептоны, фотоны и т.п.). Некоторые частицы группируются по принципу симметрии. Например, триплет из трёх частиц (кварков) и триплет из трёх античастиц (антикварков). К концу ХХ века физика приблизилась к созданию стройной теоретической системы, объясняющей свойства элементарных частиц. Предложены принципы, позволяющие дать теоретический анализ многообразия частиц, их взаимопревращений, построить единую теорию всех видов взаимодействий.

1.2 Макромиры

В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный. Донаучный, или натурфилософский, охватывает период от античности до становления экспериментального естествознания в XVI--XVII вв. Наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов. Наиболее значимой для последующего развития естественных наук была концепция дискретного строения материи атомизм, согласно которому все тела состоят из атомов - мельчайших в мире частиц.

Со становления классической механики начинается научный этап изучения природы. Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI в., когда Г. Галилеем была заложена основа первой в истории науки физической картины мира - механической. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методологию нового способа описания природы - научно-теоретического. Суть его заключалась в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические характеристики, которые становились предметом научного исследования. И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система. В рамках механической картины мира, разработанной И.Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц - атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса. Существенной характеристикой ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовой геометрии, которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи. Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий.

Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две области - оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины мира.

Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика Дж.К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира. Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспытатель X. К. Эрстед, который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, М. Фарадей обнаружил, что временное изменение в магнитных полях создает электрический ток. М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Его работы стали исходным пунктом исследований Дж.К. Максвелла, заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. Максвелл «перевел» модель силовых линий Фарадея в математическую формулу. Понятие «поле сил» первоначально складывалось как вспомогательное математическое понятие. Дж.К. Максвелл придал ему физический смысл и стал рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность: «Электромагнитное поле - это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии».

После экспериментов Г. Герца в физике окончательно утвердилось понятие поля не в качестве вспомогательной математической конструкции, а как объективно существующей физической реальности. В результате же последующих революционных открытий в физике в конце прошлого и начале нынешнего столетий оказались разрушенными представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи.

1.3 Мегамиры

Мегамир или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел.

Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка - Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15 - 20 млрд. световых лет. Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» - очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» - тот же мир, но с точки зрения его структуры - как упорядоченную систему галактик.

Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами. Время существования Вселенной бесконечно, т.ё. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

В 1929 году американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, - система галактик расширяется. Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10^-12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 10⁹⁶ г/см³. В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва.

Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13-20 млрд. лет. Г.А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюцию Вселенной делят на «эры» :

- Эра адронов. Тяжелые частицы, вступающие в сильные взаимодействия;

- Эра лептонов. Легкие частицы, вступающие в электромагнитное взаимодействие;

- Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная доля массы - энергии Вселенной - приходится на фотоны;

- Звездная эра. Наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.

Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.

В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва весьма популярна инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается творение Вселенной. Идея творения имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой космологией. В этой модели описывается эволюция Вселенной, начиная с момента 10^-45 с после начала расширения. В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов.

Начало Вселенной определяется физиками - теоретиками как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10^-50 см.

Стадия инфляции. В результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние возбужденного вакуума и в отсутствие в ней вещества и излучения интенсивно расширялась по экспоненциальному закону. В этот период создавалось само пространство и время Вселенной. За период инфляционной стадии продолжительностью 10^-34. Вселенная раздулась от невообразимо малых квантовых размеров 10^-33 до невообразимо больших 10^1000000см, что на много порядков превосходит размер наблюдаемой Вселенной - 10²⁸ см. Весь этот первоначальный период во Вселенной не было ни вещества, ни излучения.

Переход от инфляционной стадии к фотонной. Состояние ложного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые, проаннигилировав, дали мощную вспышку излучения (света), осветившего космос.

Этап отделения вещества от излучения: оставшееся после аннигиляции вещество стало прозрачным для излучения, контакт между веществом и излучением пропал. Отделившееся от вещества излучение и составляет современный реликтовый фон, теоретически предсказанный Г. А. Гамовым и экспериментально обнаруженный в 1965 г.

В дальнейшем развитие Вселенной шло в направлении от максимально простого однородного состояния к созданию все более сложных структур -атомов (первоначально атомов водорода), галактик, звезд, планет, синтезу тяжелых элементов в недрах звезд, в том числе и необходимых для создания жизни, возникновению жизни и как венца творения - человека.

Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляционной модели и модели Большого взрыва касается только первоначального этапа порядка 10^-30 с, далее между этими моделями принципиальных расхождений в понимании этапов космической эволюции нет.

Вселенной на самых разных уровнях, от условно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд - звезды, из протопланетного облака - планеты.

Метагалактика - представляет собой совокупность звездных систем - галактик, а ее структура определяется их распределение в пространстве, заполненном чрезвычайно разреженным межгалактическим газом и пронизываемом межгалактическими лучами. Согласно современным представлениям, для метагалактики характерно ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Возраст Метагалактики близок к возрасту Вселенной, поскольку образование структуры приходиться на период, следующий за разъединением вещества и излучение. По современным данным, возраст Метагалактики оценивается в 15 млрд. лет.

Галактика - гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.

По форме галактики условно распределяются на три типа: эллиптические, спиральные, неправильные.

Звезды. На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих других галактик, если не у большинства, «звездная субстанция» составляет более чем 99,9% их массы. Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне значений: от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч - самых молодых. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими звездами. На завершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные («мертвые») звезды. Звезды не существуют изолированно, а образуют системы.

Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела - Солнца. Солнечная система является упорядоченной системой, имеющей свои закономерности строения. Единый характер Солнечной системы проявляется в том, что все планеты вращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Солнце, планеты, спутники планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям. Закономерно и строение Солнечной системы: каждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая.

Первые теории происхождения Солнечной системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским математиком П. С. Лапласом. Согласно этой гипотезе система планет вокруг Солнца образовалась в результате действия сил притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи (туманности), находящейся во вращательном движении вокруг Солнца.

Издавна люди пытались найти объяснение многообразию и причудливости мира. Изучение материи и её структурных уровней является необходимым условием формирования мировоззрения, независимо от того, окажется ли оно, в конечном счете, материалистическим или идеалистическим.

Достаточно очевидно, что очень важна роль определения понятия материи, понимания последней как неисчерпаемой для построения научной картины мира, решения проблемы реальности и познаваемости объектов и явлений микро, макро и мега миров.

системный частица мегамир иерархия

2. СТРУКТУРА И ЕЕ РОЛЬ В ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Система - это комплекс элементов, находящихся во взаимодействии. В переводе с греческого это целое, составленное из частей, соединение.

Претерпев длительную историческую эволюцию, понятие система с середины XX в. становится одним из ключевых научных понятий.

Первичные представления о системе возникли в античной философии как упорядоченность и ценность бытия. Понятие система сейчас имеет чрезвычайно широкую область применения: практически каждый объект может быть рассмотрен как система.

В самом общем смысле слова «система» обозначает любой предмет или любое явление окружающего нас мира и представляет собой взаимосвязь и взаимодействие частей (элементов) в рамках целого. Структура - это внутренняя организация системы, которая способствует связи ее элементов в единое целое и придает ей неповторимые особенности. Структура определяет упорядоченность элементов объекта. Элементами являются любые явления, процессы, а также любые свойства и отношения, находящиеся в какой-либо взаимной связи и соотношении друг с другом.

В понимании структурной организации материи большую роль играет понятие «развитие». Понятие развития неживой и живой природы рассматривается как необратимое направленное изменение структуры объектов природы, поскольку структура выражает уровень организации материи. Важнейшее свойство структуры - ее относительная устойчивость. Структура - это общий, качественно определенный и относительно устойчивый порядок внутренних отношений между подсистемами той или иной системы. Понятие «уровень организации» в отличие от понятия «структура» включает представление о смене структур и ее последовательности в ходе исторического развития системы с момента ее возникновения. В то время как изменение структуры может быть случайным и не всегда имеет направленный характер, изменение уровня организации происходит необходимым образом.

Системы, достигшие соответствующего уровня организации и имеющие определенную структуру, приобретают способность использовать информацию для того, чтобы посредством управления сохранить неизменным (или повышать) свой уровень организации и способствовать постоянству (или уменьшению) своей энтропии (энтропия - мера беспорядка). До недавнего времени естествознание, и другие науки могли обходиться без целостного, системного подхода к своим объектам изучения, без учета исследования процессов образования устойчивых структур и самоорганизации.

В настоящее время проблемы самоорганизации, изучаемые в синергетике, приобретают актуальный характер во многих науках, начиная от физики и кончая экологией.

Задача синергетики - выяснение законов построения организации, возникновения упорядоченности. В отличие от кибернетики здесь акцент делается не на процессах управления и обмена информацией, а на принципах построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения (Г.Хакен). Вопрос об оптимальной упорядоченности и организации особенно остро стоит при исследованиях глобальных проблем - энергетических, экологических, многих других, требующих привлечения огромных ресурсов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современная наука рассматривает системы как сложные, открытые, обладающие множеством возможностей новых путей развития. Процессы развития и функционирования сложной системы имеют характер самоорганизации, т.е. возникновения внутренне согласованного функционирования за счет внутренних связей и связей с внешней средой. Самоорганизация - это естественнонаучное выражение процесса самодвижения материи. Способностью к самоорганизации обладают системы живой и неживой природы, а также искусственные системы.

В современной научно обоснованной концепции системной организации материи обычно выделяют три структурных уровня материи:

- микромир - мир атомов и элементарных частиц - предельно малых непосредственно ненаблюдаемых объектов, размерность от 10-8 см до 10-16 см, а время жизни - от бесконечности до 10-24 с.

- макромир - мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин: земных расстояний и скоростей, масс и объемов; размерность макрообъектов соотносима с масштабами человеческого опыта - пространственные величины от долей миллиметра до километров и временные измерения от долей секунды до лет.

- мегамир - мир космоса (планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики); мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние измеряется световыми годами, а время миллионами и миллиардами лет;

Изучение иерархии структурных уровней природы связано с решением сложнейшей проблемы определения границ этой иерархии как в мегамире, так и в микромире. Объекты каждой последующей ступени возникают и развиваются в результате объединения и дифференциации определенных множеств объектов предыдущей ступени. Системы становятся все более многоуровневыми. Сложность системы возрастает не только потому, что возрастает число уровней. Существенное значение приобретает развитие новых взаимосвязей между уровнями и со средой, общей для таких объектов и их объединений.

Существует предположение о том, что микромир и мегамир - это окна в негеоцентрические миры, а значит, их закономерности хотя бы в отдаленной степени позволяют представить иной тип взаимодействий, чем в макромире или геоцентрическом типе реальности. Между мегамиром и макромиром нет строгой границы. Полагают, что он начинается с расстояний около 107 и масс 1020 кг. Опорной точкой начала мегамира может служить Земля. Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для их измерения вводят специальные единицы: астрономическая единица, световой год и парсек.

Библиографический список

1. Ващекин Н.П., Лось В.А., Урсул А.Д. «Концепции современного естествознания», М.: МГУК, 2006.

2. Горелов А.А. «Концепции современного естествознания », М.: Высшее образование, 2007.

3. Козлов Ф.В. Справочник по радиационной безопасности.- М.: Энергоатом, 2009.

4. Криксунов Е.А., Пасечник В.В., Сидорин А.П., Экология, М., Издательский дом «Дрофа», 2008.

5. Поннамперума С. «Происхождение жизни», М., Издательство «Норма», 2006 г.

6. Сивинцев Ю.В. Радиация и человек. - М.: Издательский дом «Дрофа», 2006.

7. Хотунцев Ю.М. Экология и экологическая безопасность. - М.: «ЭКСМО», 2008.

Размещено на Allbest.ru