Концепции современного естествознания

                         О ранней эволюции Вселенной мы судим на основании только тех результатов, которые известны нам сегодня. Поэтому, любая модель может быть построена только путем экстраполяции, т.е. распространением известного на неизвестное и, как результат, получения исключительно гипотетического знания. Так,  гипотезой  является допущение возникновения современной вещественно-полевой Вселенной из вакуумной в результате ее случайной флуктуации. Современная квантовая механика допускает, что вакуум как особая форма материи может приходить в возбужденное состояние, образуя поле, а уж из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) возникает вещество. Гипотезой также является, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.

                        Через 0,01 сек. после начала  Большого Взрыва во Вселенной  появилась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия). Возникшие  под воздействием гравитационного  тяготения  гигантские  массы вещества, образовавшие ядра галактик  стали поистине фабриками по производству основного строительного материала – водорода. Именно, этот самый простой кирпичик вещества      (один протон в ядре и один электрон на орбите ) является  горючим всего невообразимого количества звезд в галактиках. Именно, из него звезды в своих недрах в процессе атомных реакций образуют более сложные атомы. Чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах. Наше солнце как обычная звезда производит только гелий  из водорода, который дают ядра галактик. А очень массивные звезды производят углерод – главный элемент живого вещества, а также другие элементы. Все остальное необходимое для жизни, вплоть до сложных химических соединений – нуклеотидов, возникает на кометах и планетах при соответствующих условиях.

                         Галактики, основные, структурные элементы Вселенной, являются  много миллиардными скоплениями звезд и их систем, имеющими свой центр (ядро) и разную форму. Таких галактик – миллиарды. Наша галактика называется Млечный путь и включает 150 млрд. звезд. Ее размеры – 100 тыс. световых лет, а наше солнце удалено от центра на 30 тыс. световых лет. Процесс образования галактик во Вселенной в результате взрывов  квазеров, «черных дыр», образующих сверхновые звезды, продолжается и поныне. У многих  звезд, как в нашей, так и в других Галактиках, обнаружены планеты – возможные колыбели внеземных форм жизни и цивилизаций. Возраст нашей солнечной системы, зафиксированный по древнейшим метеоритам, около 5 млрд. лет., а Земли как планеты, сформировавшейся из космической пыли, содержавшей железо, никель, кремний, углерод -  4-5 млрд. лет.

                         В числе других универсальных  свойств материи структурность  и системная организация относятся к числу ее важнейших атрибутов. Они выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она реализуется. Под структурой материи обычно понимается ее строение в микромире, существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц, квантов и т.д. Но если брать материю в целом, во всех существующих и возможных формах, то понятие структуры будет охватывать все макроскопические тела, космические системы  любых масштабов. Поэтому в широком смысле структура материи  проявляется  в  существовании бесконечного многообразия конкретных целостных систем, тесно взаимосвязанных друг с другом. При этом, важно не путать понятие наблюдаемой Вселенной (Метагалактика) с  понятием Вселенной – конкретной системой, элементом которой,  первая  и является. Философское же понятие материя охватывает все существующее материальное бытие в его абсолютной бесконечности.

                          В доступных пространственно-временных  масштабах (от 10  минус 18 степени  см. до 10 в 28 степени см., т.е. 20 млрд. световых лет)  структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимосвязанных систем, начиная от элементарных частиц и кончая метагалактикой. Вклиниваясь между микромиром и мега-                      миром, макромир, составляющий внутреннее содержание и непосредственные внешние условия живой материи и человека, занимает масштаб от  высоко-органических молекулярных  соединений до  био - геосферы  Земли.

                       Следует отличать объективно существующие системы  от теоретических или концептуальных систем, которые существуют лишь в сознании человека в целях классификации  или упорядочения знаний. Система – это внутренняя (или внешняя) упорядоченное множество взаимосвязанных, взаимодействующих элементов, определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к другим объектам либо внешним условиям. Упорядоченность множества означает наличие закономерных отношений между элементами системы, проявляющихся в виде законов структурной организации. Внутренняя упорядоченность имеется у всех природных систем, возникающих в результате взаимодействия тел, а внешняя, характерна для созданных человеком искусственных систем: технических, производственных, концептуальных и др. Между элементами любых систем обязательно существует взаимосвязь и взаимообусловленность, которая в материальных системах проявляется в виде взаимодействия элементов, путем обмена материи, движения (энергии), а в случае, самоорганизующихся систем, путем обмена определенной информацией. 

                         Существующие  во Вселенной   материальные системы, их подсистемы  и элементы на разных  структурных  уровнях ее масштаба (микро-,макро-, мега-мир) отличаются принципиально разными материальными носителями свойств (элементарные частицы, кванты, атомы, молекулы, звезды, галактики) и  типами их  физического взаимодействия, движения ( гравитационное, электро- магнитное, ядерное и др.), что и определяет их особенный  порядок (структуру), свойства, функционирование и  развитие.

2. Корпускулярная  и континуальная  концепции   описания природы. Вещество и  поле. Корпускулярно-волновой дуализм. 

                            Вся история физики как науки о природе пронизана борьбой двух фундаментальных подходов, двух концепций, объясняющих ее структуру. Первая из них, корпускулярная ( от слова корпускула, что значит – частица ) утверждала, что бытие имеет прерывистое, дискретное строение, и была  реализована в атомистической теории, согласно которой, вся материя  (вещество) состоит из мельчайших частиц – атомов («неделимых» – пер .с греч.), движущихся в пустоте ( небытии). Первые атомисты  появились еще в Древней Греции  (Левкипп, Демокрит, Эпикур). Древнеримский философ Лукреций Кар считал  свет потоком корпускул, действующих на глаза и вызывающих зрительные образы. Концепция атомизма как  теория дискретного, квантованного строения материи, пронизывая естествознание на протяжении всей его истории, вплоть до 20 века оставалась умозрительной гипотезой, подтверждаемой косвенно лишь некоторыми опытными фактами: диффузия, конвекция, броуновское движение, закон Авогадро и др.

                          Многие ведущие физики  даже  в конце 19 века не верили  в реальность существования атома.  К тому же, многие экспериментальные результаты химии, рассчитанные в соответствии  с кинетической   теорией газов, позволяли вводить другое понятие для мельчайших частиц – молекулы. Возникает вопрос о их соотношении.

                          Реальная существование молекул   доказано в 1906 году опытами французского физика Жана Перрена. В современном представлении молекула – это наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и  состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Число атомов молекул составляет от двух (водород, кислород) до сотен и тысяч (витамины, гормоны и белки). Атомы инертных газов часто называют одноатомными молекулами. Если молекула состоит из тысяч и более повторяющихся единиц (структурно-одинаковых или близких групп атомов), ее называют макромолекулой. С середины     19 в. атом стал пониматься как наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств, в отличие от молекулы – наименьшей частицы вещества, обладающей его химическими свойствами и состоящей из атомов, соединенных химическими связями. До конца 19 в. неделимость атомов не вызывала серьезных  возражений, хотя  открытый Д.И.Менделеевым в 1869 году периодический закон  поставил вопрос о сложном строении атомов. Научные открытия на рубеже 19 – 20 вв.              (радиоактивное излучение урана – А.Беккерель;  радиоактивные элементы   полоний и радий – Мария и Пьер Кюри; альфа, бета и гамма лучи различной природы;  превращения одних химических элементов в другие в процессе радиоактивного излучения – Э.Резерфорд и  Ф.Содди) подтвердили существование внутренней структуры атома. В своих опытах с катодными лучами английский физик Джозеф Томсон  в 1897 году открыл электрон, названный позднее атомом электричества  – минимальный существующий в природе электрический заряд. Определив его величину, Томсон  в 1903 году  предложил первую модель атома: сгусток положительно заряженного вещества, с вкрапленными в него отрицательными электронами и электрически нейтральным атомом, в целом.    В 1911 году  Э.Резерфорд, исследуя, прохождение альфа – частиц  через вещество, обнаружил отклонение и, даже отражение некоторых из них, предложил планетарную модель атома, где в центре находится основная масса атома – положительно заряженное ядро, а большую его часть занимают электроны, вращающиеся на разных орбитах. Такое понимание атома могло возникнуть лишь на основе признания взаимодействия его элементов через  непрерывную субстанцию, которая была уже открыта  и теоретически описана в середине 19 веке  через электромагнитное поле, что означало признание правоты  континуального подхода.

                         Вторая фундаментальная физическая  концепция – континуальная (континуальный означает «непрерывный, однородный»), утверждает, что основой бытия (вещества) является некая непрерывная, бесконечно делимая субстанция, безгранично заполняющая Вселенную и не имеющая пустот. Такую бесконечно делимую субстанцию признавали древнегреческие философы Фалес, Парменид, Эмпедокл, Аристотель. Последний считал основой вещей непрерывную, бесконечно делимую материю.

                          Борьба  двух подходов продолжалась постоянно и стала важнейшим фактором формирования современной  естественнонаучной картины мира. Ее первое обострение произошло в 17 – 18 вв. в связи с необходимостью объяснить природу и механизм взаимодействий между элементами мироздания, без чего было бы невозможным признание его целостности. Второй этап наступил в середине 19 века в связи с открытием электрических, магнитных и электромагнитных явлений и крахом идеи эфира как невесомой неинерциальной абсолютно проницаемой субстанции, способной передавать энергию на любом расстоянии практически мгновенно. Поиски такого эфира оказались безрезультатными, а окончательную точку в них поставили опыты Майкельсона в конце 19 веке. Спор сторонников двух фундаментальных подходов завершился диалектическим компромиссом, показавшим, что дискретность, корпускулярность и непрерывность, континуальность являются  не взаимоисключающими, а взаимодополняющими атрибутами материального бытия.  

                         Если не считать пока еще гипотетической вакуумной формы бытия материи, вся существующая и доступная опытному наблюдению физическая реальность может быть сведена к двум  основным  видам  –  веществу и полю. Такое деление не абсолютно, а относительно, но в определенных границах существенно. Под веществом имеют в виду   различные частицы и тела, которым присуще: масса покоя, инертность, относительная непроницаемость, целочисленность (т.е. способность делиться на целые части: агрегаты, молекулы, атомы, микрочастицы), движение по траектории путем переноса своей массы, передача импульса энергии через толчок, предел количества  материи в единицы объема, устойчивую структуру. Поле является таким видом физической реальности, которая: не имеет массы покоя, хотя и обладает энергией, импульсом и множеством других свойств; не целочисленна, хотя и имеет внутреннюю динамическую структуру; проницаема для вещества, движется  не траекторно во всех измерениях трехмерного пространства без переноса собственной массы, передает импульс путем возбуждения субстанции от точки к точке, не имеет установленного предела энергетической концентрации в определенном объеме.

                         Поле и вещество нельзя абсолютно  противопоставлять друг другу, так как  структура вещества во всех его конкретных формах существования будет включать поля. Так, межмолекулярное и внутримолекулярное пространство занято гравитационным и электромагнитным полями, внутриатомное, кроме того, включает внутриядерные поля На долю собственно частиц вещества  приходится ничтожная часть объема всей системы (примерно 10 в минус 40 степени объема). Квантами ядерного поля, объединяющего нуклоны в ядре, выступают мезоны, имеющие массу покоя, т.е. относящиеся одновременно к веществу. Частицы не отделимы от создаваемых ими полей и каждая из полей вносит свой вклад  в структуру частиц, определяя их свойства. Гравитационное поле не отделимо от массы частиц, создается массами и обусловливает их. Электромагнитное поле неразрывно связано с электрическими зарядами и магнитными моментами частиц. В этой неразрывной взаимосвязи частицы полей, можно видеть одно из важных проявлений единства  прерывности и непрерывности в структуре материи. Частицы обладают относительной прерывностью и локализованностью в пространстве, тогда как поля  непрерывно распределены в пространстве, являясь материальными системами с бесконечно большим числом степеней свободы, и воздействия в них распространяется в виде близкодействия от точки к точке. Поля, однако, не являются абсолютно континуальными средами, проявляясь при излучении и поглощении относительно дискретно – в виде квантов: фотонов, мезонов, гравитонов. Вместе с тем, частицы не - отделимы от различных полей и не существует абсолютно резкой границы между ними, имеется непрерывный взаимопереход друг в друга. Такое диалектическое единство противоположностей  и формирует так называемый корпускулярно-волновой дуализм, который является всеобщим свойством материальных объектов, заключающийся в том, что поведение одного и того же объекта в разных отношениях  может описываться  как моделью волны, так и моделью частицы или совокупности частиц. Классическим примером в истории физики является  исследование природы света, который Ньютон считал потоком корпускул, движущихся прямолинейно с огромной скоростью, в духе механической картины мира, а французский физик Френель, а позже Максвелл и Герц – электромагнитной волной. Правыми оказались все и никто полностью, т.к. свет обладает и волновыми и корпускулярными свойствами, проявляя или те, или другие  в зависимости от ситуации. Сейчас уже общеизвестно, что  такие свойства имеет любая элементарная частица, как и любое тело (инфракрасные и другие излучения). Все это лишний раз подтверждает о сложном диалектически – противоречивом  характере природы и структуры нашего мира.