Вопрос 1. Охарактеризуйте основные уровни организации материи
В науке широко используется представление о структурных уровнях материи, конкретизирующих формы движения и виды материи.
Структурные уровни материи образованы из определенного множества объектов какого-либо класса и характеризуются особым типом взаимодействия между составляющими их элементами. Критерием для выделения различных структурных уровней служат следующие признаки: пространственно-временные масштабы (элементарные частицы имеют размеры 10 (-14 степени) см, атомы 10 (-8 степени), молекулы 10 (-7 степени) см и т. п.); совокупность важнейших свойств и законов изменения; степень относительной сложности, возникшей в процессе исторического развития материи в данной области мира.
Неорганическая природа предстает как имеющая такую последовательность структурных уровней: субмикроэлементарный микроэлементарный (уровень элементарных частиц и полевых взаимодействий) ядерный атомарный молекулярный уровень макроскопических тел различной величины (здесь имеется ряд специфических подуровней) планеты звездно-планетные комплексы галактики метагалактики…
Живая природа также структурирована. В ней выделяются уровни: биологических макромолекул клеточный уровень микроорганиз-менный органов и тканей организма в целом популяционный биопенозный биосферный. Общая основа жизни органический метаболизм (обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой) специфицируется в каждом из выделенных уровней.
Как отмечают М. М. Камшилов и А. И. Филюков, на уровне организмов обмен веществ означает ассимиляцию и диссимиляцию при посредстве внутриклеточных превращений; на уровне экосистемы (биоценоза) он состоит из цепи превращений вещества, первоначально ассимилированного организмами-производителями при посредстве организмов-потребителей и организмов-разрушителей, относящихся к разным видам; на уровне биосферы происходит глобальный круговорот вещества и энергии при непосредственном участии факторов космического масштаба.
Внутри каждого из структурных уровней материи существуют отношения субординации: молекулярный уровень включает в себя атомарный (но не наоборот); организменный тканевый, клеточный; уровень общества уровни, представленные классами, нациями, иными социальными уровнями. Закономерности новых уровней специфичны, несводимы к закономерностям уровней, на базе которых они возникли, и являются ведущими для данного уровня структурной организации материи.
Структурное многообразие, т. е. системность, является способом существования материи.
Доступная нам природа условно разделяется на следующие уровни:
микромир (элементарные частицы, ядра атомов, комплексы ядер, атомы, молекулы),
макромир (комплексы молекул; микрофизические кмплексы: кристаллы, коллоидные системы; клетка; организмы; сообщества организмов: экосистемы, биосфера)
мегамир (планеты, звездно-планетные комплексы, галактики, Метагалактика).
На основании этих представлений выделяют:
1. Геоцентрический мир — реальный мир на уровне макромира. Явления геоцентрического мира описываются евклидовым пространством, ньютоновым (абсолютным, одномерным) временем и лейбницевым качеством, где целое всегда больше части.
2. Негеоцентрический мир — микромир и мегамир, описываемые неевклидовым пространством (геометрии Лобачевского-Римана), неньютоновым временем, нелейбницевым качеством (теория относительности, квантовая механика).
Структура микромира. В настоящее время в микромире выделяется четыре уровня вещества:
1. молекулярный;
2. атомный;
3. нуклонный (уровень атомного ядра);
4. кварковый.
Уже обсуждается возможный облик пятого уровня вещества — суперструнного. Каждый вновь открываемый уровень качественно отличается от ранее известных, его характеризуют другие свойства соответствующих частиц. Условно принято считать элементарными те частицы, у которых сегодня не обнаружена внутренняя структура, а их размеры недоступны измерению, т. е. меньше 10−15 см.
Исходя из значения спина (внутренней степени свободы движения частицы), все элементарные частицы можно разделить на две группы:
— частицы с целочисленным спином (0, 1, 2 …) называются бозонами в честь известного физика Бозе. На них запрет Паули не распространяется, и они могут находиться вместе в любом количестве. Поля бозонов переходят в классические поля. Так, одна из бозонных частиц, — фотон может стать классическим электромагнитным полем, излучающим свет, радиоволны. В макромире бозоны проявляют себя обычно на уровне полей.
— частицы с полуцелым значением спина (½, 3/2 …) называются фермионами в честь великого физика Ферми. Они могут находиться вместе только при условии, что их физические состояния и параметры не одинаковы. Этот закон квантовой механики получил название запрета Паули. Поля фермионов всегда остаются квантованными и легко переходят в частицы. В макромире фермионы проявляются на уровне вещества. В свою очередь, фермионы разделяются на лептоны и кварки.
Вопрос 4. Дайте формулировку специального принципа относительности. В чем его отличие от классического принципа относительности Галилея?
Принцип относительности Эйнштейна законы физики во всех инерциальных системах отсчета имеют один и тот же вид.
Принцип относительности Эйнштейна представляет собой распространение принципа относительности Галилея на все физические явления, и наряду с приведенной выше формулировкой принцип относительности допускает и ряд других, ей эквивалентных.
При одинаковых начальных условиях любое явление природы протекает одинаково во всех инерциальных системах отсчета.
Никакими экспериментами, проводимыми в изолированной лаборатории, невозможно установить, покоится она или равномерно и прямолинейно движется относительно данной инерциальной системы отсчета.
Все инерциальные системы отсчета физически равноправны, т. е. среди них не существует какой бы то ни было привилегированной, чем-либо выделенной инерциальной системы.
Если классический принцип относительности утверждал инвариантность законов механики во всех инерциальных системах отсчета, то в специальной теории относительности данный принцип был распространен также на законы электродинамики, а общая теория относительности утверждала инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных. Неинерциальными называются системы отсчета, движущиеся с замедлением или ускорением.
Коренным отличием специальной теории относительности от предшествующих теорий является признание пространства и времени в качестве внутренних элементов движения материи, структура которых зависит от природы самого движения, является его функцией. В подходе Эйнштейна пространству и времени придаются новые свойства: относительность длины и временного промежутка, равноправность пространства и времени.
