Структурные уровни организации материи

Согласно  современным  представлениям,  все  элементарные  частицы  делятся  на  два  класса –фермионы   (названные  в  честь  Э. Ферми )  и  бозоны   ( названные  в  честь  Ш.Бозе )

К  фермионам  относятся  кварки  и  лептоны,  к бозонам – кванты  полей (фотоны,  векторные  бозоны,  глюоны,  гравитино и  гравитоны ).  Эти  частицы  считаются  истинно  элементарными,  т.е.  составные  частицы,  образованные  из  кварков  и  соответствующих  квантов  полей.  Фермионы  составляют  вещество,  бозоны  переносят  взаимодействие.

Сильное  взаимодействие  происходит  на  уровне  атомных  ядер  и  представляет  собой  взаимное  притяжение    и  отталкивание  их  составных  частей.

Электромагнитное  взаимодействие   примерно  в  тысячу  раз  слабее  сильного,  но  значительно  более  дальнодействующее.  Взаимодействие  такого  типа  свойственно  электрически  заряженным  частицам.

Слабое  взаимодействие  возможно  между  различными  частицами.  Оно  простирается  на  расстояние  порядка  10- 15 – 10- 22  см  и  связано  главным  образом  с  распадом  частиц,  например,  с происходящими  в  атомном  ядре  превращениями  нейтрона  в  протон,  электрон,  и  антинейтрино.

Гравитационное  взаимодействие – самое  слабое,  не  учитываемое  в  теории  элементарных  частиц,  поскольку  на  характерных  для  них  расстояниях  порядка   10- 13  см  оно  даёт  чрезвычайно  малые  эффекты.

Достижения  в  области  исследования  элементарных  частиц  способствовали  дальнейшему  развитию  концепции  атомизма.  В  настоящее  время  считают,  что  среди  множества   элементарных  частиц  можно  выделить  12  фундаментальных  частиц  и  столько  же  античастиц.  Шесть  частиц – это  кварки  с  экзотическими   названиями  “верхний”,  “ нижний”,  “очарованный”,  “странный”,  “истинный”,  “прелестный”.  Остальные  шесть – лептоны: электрон, мюон,  тау – частица  и  соответствующие  им  нейтрино  (электронное,  мюонное,  тау – нейтрино).

Мегамир: современные  астрофизические  и  космологические  концепции.

Мегамир,  или  космос,  современная  наука  рассматривает  как  взаимодействующую  и  развивающуюся  систему  всех  небесных  тел.  Мегамир  имеет  системную  организацию  форме  планет  и  планетных  систем,  возникающих  вокруг  звёзд;  звёзд  и  звёздных  систем -  галактик.

Все  существующие  галактики  входят  в  систему  самого  высокого  порядка – Метагалактику.  Размеры  метагалактики  очень  велики:  радиус  космологического  горизонта  составляет  15 – 20  млрд  световых  лет.

Современные  космологические  модели   Вселенной.

В  ньютоновской  космологии  возникали  два  парадокса,  связанные  с  постулатом  бесконечности  Вселенной.

Первый  парадокс  получил  название  гравитационного.  Суть  его  заключается  в  том,  что  если  Вселенная  бесконечна  и в  ней  существует  бесконечное  количество  небесных  тел,  то  сила  тяготения  будет  бесконечно  большая,  и  Вселенная  должна  сколлапсировать,  а  не  существовать  вечно.

Второй  парадокс  называется  фотометрическим:  если  существует  бесконечное  количество  небесных  тел,  то  должна  быть  бесконечная  светимость  неба,  что  не  наблюдается.

Современные  космологические  модели  Вселенной  основываются  на  общей  теории  относительности  А. Эйнштейна,  согласно  которой  метрика  пространства  и  времени  определяется  распределением  гравитационных  масс  во  Вселенной.  Её  свойства  как  целого  обусловлены  средней   плотностью  материи  и  другими  конкретно – физическими  факторами.

В  том же 1917 г. голландский астроном Виллем де Ситерр предложил другую модель представляющую собой также решения уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае “пустой” Вселенной, свободной от материи.

В 1922 г. русский математик и геофизик А.А.Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнений Эйнштейна, описывающее Вселенную с “расширяющимся” пространством.

В 1927 г. бельгийский аббат и ученый  Ж. Леметр связал “расширение” пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятия начала Вселенной как сингулярности (т.е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва.

В 1929 г. американский астроном Э.П.Хаббл обнаружил существования странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, - система галактик расширяется.

Проблема происхождения и эволюции Вселенной.

Ученик А.А.Фридмана Г.А.Гамов разработал модель горячей Вселенной, рассматривая ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной, и назвал ее “космологией Большого взрыва”.

В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюцию Вселенной делят на эры.

Эра адронов (тяжелых частиц, вступающих в сильные взаимодействия). Продолжительность эры 0,0001 с. , температура 10 – 12

градусов по Кельвину, плотность 10 –14 г./см. 3. В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов, гиперонов, мезонов.

Эра лептонов ( легких частиц вступающих в электромагнитные взаимодействия). Продолжительность эры 10 с., температура 10 –10 градусов по Кельвину, плотность 104 г./см. 3. Основную роль играют легкие частицы принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами.

Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет.  Основная доля массы

энергии Вселенной – приходится на фотоны. К концу эры температура падает с 10 10 до 3000 градусов по Кельвину, плотность с 10 4 г./см. 3 до 10 21 г./см.3. Главную роль играет излучение которое в конце эры отделяется от вещества.

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.

Структура Вселенной.

Метагалактика представляет собой совокупность звездных систем – галактик, а ее структура определяется их распределением в пространстве, заполненным чрезвычайно разреженным межгалактическим газом и пронизываемом межгалактическими лучами.

Согласно современным представлениям, для Метагалактики характерна ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Эти представления основываются на данных астрономических наблюдений, показавших, что галактики распределены неравномерно, а сосредоточены в близи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет.

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

По форме галактики условно разделяются на три типа: эллептические, спиральные и не правильные.

Эллептические галактики обладают пространственной формой эллипсоида с разной степенью сжатия. Они являются наиболее простыми по структуре распределения звезд равномерно убывает от центра.

Спиральные галактики представлены в форме спирали, включая спиральные ветви. Это самый многочисленный вид галактик, к которому относится и наша Галактика – Млечный путь.

Неправильные галактики не обладают выраженной формой, в них отсутствует центральное ядро.

Звезды. На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97 % вещества в нашей Галактики сосредоточены в звездах представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения.

Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне значений, от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч – самых молодых.

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. К 1979 г. было известно 34 спутника и 2000 астероидов.

Список литературы

1.       Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - 6-е изд., 2006. - 608 с.

2.       Савченко В.Н., Смагин В.П., Начала современного естествознания. Концепция и принципы. Феникс, 2006. – 603с.

5