Современная наука о строении материи. Введение в философию
2. Современная наука о строении материи
В основе современных научных представлений о строении материи лежит идея ее сложной системной организации. Любой объект материального мира может быть рассмотрен в качестве системы, то есть особой целостности, которая характеризуется наличием элементов и связей между ними.
Например, макротело можно рассматривать как определенную организацию молекул. Любая молекула тоже является системой, которая состоит из атомов и определенной связи между ними: ядра атомов, входящие в состав молекулы как одноименные (положительные) заряды, подчиняются силам электростатического отталкивания, но вокруг них образуются общие электронные оболочки, которые как бы стягивают эти ядра, не давая им разлететься в пространстве. Атом также представляет собой системное целое — состоит из ядра и электронных оболочек, расположенных на определенных расстояниях от ядра. Ядро каждого атома, в свою очередь, имеет внутреннюю структуру. В простейшем случае — у атома водорода — ядро состоит из одной частицы — протона. Ядра более сложных атомов образованы путем взаимодействия протонов и нейтронов, которые внутри ядра постоянно превращаются друг в друга и образуют особые целостности — нуклоны, частицы, которые часть времени пребывают в протонном, а часть — в нейтронном состоянии. Наконец, и протон, и нейтрон — сложные образования. В них можно выделить специфические элементы — кварки, которые взаимодействуют, обмениваясь другими частицами — глюонами (от лат. gluten — клей), как бы «склеивающими» кварки. Протоны, нейтроны и другие частицы, которые физика объединяет в группу адронов (тяжелых частиц), существуют благодаря кварк-глюонным взаимодействиям.
Изучая живую природу, мы также сталкиваемся с системной организацией материи. Сложными системами являются как клетка, так и построенные из клеток организмы; целостную систему представляет собой вся сфера жизни на Земле — биосфера, существующая благодаря взаимодействию своих частей: микроорганизмов, растительного, животного мира, человека с его преобразующей деятельностью. Биосферу можно рассматривать как целостный объект (как и атом, молекулу и т. д.), где есть определенные элементы и связи между ними.
Материальные системы всегда взаимодействуют с внешним окружением. Некоторые свойства, отношения и связи элементов в этом взаимодействии меняются, но основные связи могут сохраняться, и это является условием существования системы как целого. Сохраняющиеся связи выступают как инвариант, то есть устойчивые, не изменяющиеся при вариациях системы. Эти устойчивые связи и отношения между элементами системы образуют ее структуру. Иными словами, система — это элементы и их структура.
Любой объект материального мира уникален и нетождествен другому. Но при всей уникальности и непохожести объектов определенные их группы в своем строении обладают общими признаками. Например, существует очень большое разнообразие атомов, но все они устроены по одному типу — в атоме должно быть ядро и электронная оболочка. Огромное многообразие молекул — от простейшей молекулы водорода до сложных молекул белков — имеет общие структурные признаки: ядра атомов, образующих молекулу, стянуты общими электронными оболочками. Можно обнаружить общие признаки строения у различных макротел, у клеток, из которых построены живые организмы, и т. д. Наличие общих признаков организации позволяет объединить различные объекты в классы материальных систем. Эти классы часто называют уровнями организации материи или видами материи.
Все виды материи связаны между собой генетически, то есть каждый из них развивается из другого. Строение материи можно представить как определенную иерархию этих уровней (см. схему).
Уровни организации неживой природы
Согласно современным научным взглядам, глубинные структуры материального мира представлены объектами элементарного уровня. Это прежде всего элементарные частицы. За исключением электрона, исследования которого начались еще в XIX веке, все остальные были обнаружены в XX столетии. Их свойства оказались весьма необычными, резко отличающимися от свойств макротел, с которыми мы сталкиваемся в повседневном опыте. Все элементарные частицы обладают одновременно и корпускулярными, и волновыми свойствами, а закономерности их движения, изучаемые квантовой физикой, отличаются от закономерностей движения макротел, описанных в классической физике.
До открытия элементарных частиц и их взаимодействий наука разграничивала два вида материи — вещество и поле.
Еще в конце XIX-начале XX века поле определяли как непрерывную материальную среду, а вещество — как прерывное, состоящее из дискретных частиц. Однако развитие квантовой физики выявило относительность разграничительных линий между веществом и полем. Только на макроуровне, когда можно не принимать во внимание квантовые свойства полей, их можно считать непрерывными средами. Но на микроуровне поля предстают как состоящие из квантов, которые можно рассматривать в качестве частиц, обладающих одновременно и корпускулярными, и волновыми характеристиками. Например, электромагнитное поле можно представить как систему фотонов, а гравитационное поле — как систему гравитонов — гипотетических частиц, которые предсказывает квантовая теория. В то же время и частицы вещества — электроны и позитроны, мезоны и другие — уже в целом ряде задач физика рассматривает как кванты соответствующих полей (электронно-позитронного, мезонного и т. п.).
Элементарные частицы участвуют в четырех типах взаимодействия — сильном, слабом, электромагнитном и гравитационном. Только два последних типа взаимодействий проявляют себя на любых сколь угодно больших расстояниях, и поэтому им подчинены процессы не только микромира, но и макротел, планет, звезд и галактик (макро- и мегамир). Что же касается сильных и слабых взаимодействий, то они характерны только для процессов микромира. Одним из самых удивительных открытий последней трети XX века было обнаружение того, что электромагнитные и слабые взаимодействия представляют собой стороны, различные проявления единой сущности — электрослабого взаимодействия.
Элементарные частицы можно классифицировать по типам взаимодействия. Адроны (тяжелые частицы — протоны, нейтроны, мезоны и др.) участвуют во всех взаимодействиях. Лептоны (от греч. leptos — легкий; например, электрон, нейтрино и др.) не участвуют в сильных взаимодействиях, а только в электрослабых и гравитационных. Гипотетические гравитоны выступают носителями только гравитационных сил. В сильных взаимодействиях многие адроны неразличимы, они как бы на одно лицо. Например, неотличимы друг от друга нуклоны — нейтроны и протоны, все П-мезоны (Пи-мезоны) выступают как одна частица. Но когда включаются электромагнитные силы, то нуклоны расщепляются на две составляющие, а П-мезоны на три (П°, П , П-). Подобное расщепление позволяет рассматривать частицы как проявления некоторой глубинной структуры. Поиск таких структур составляет главную цель современной физики. На этом пути наука стремится обнаружить те глубинные свойства и состояния материи, которые в конечном счете определяют эволюцию Вселенной, особенности взаимодействия и развития ее объектов.
Первым большим успехом на этом пути было открытие кварковой структуры адронов. Кварки оказались весьма экзотическими объектами не только потому, что у них дробный электрический заряд (1/3 или 2/3 от заряда электрона, принимаемого за 1). Само взаимодействие кварков, осуществляемое благодаря обмену глюонами, таково, что увеличение расстояния между кварками внутри адронов приводит к резкому возрастанию связывающих их сил. Поэтому в отличие от ранее известных элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов и др.) кварки пока не обнаружены в свободном состоянии. Они оказываются как бы запертыми внутри адронов. Но в эксперименте их можно прозондировать: при столкновении частиц больших энергий внутри адронов обнаруживается несколько своеобразных центров, на которых происходит рассеяние частиц и которые физика отождествляет с кварками.
Кварки и лептоны выступают в качестве базисных объектов в системе элементарных частиц. Они являются главным строительным материалом для вещества нашего мира, поскольку ядра атомов существуют благодаря взаимодействию кварков, а формирование электронных оболочек вокруг ядра приводит к образованию атомов.
Современная физика пока еще не создала единой теории элементарных частиц, на пути к ней сделаны лишь первые, но существенные шаги. Выявление общих глубинных структур частиц, участвующих в сильных взаимодеиствиях, и установление единства слабого и электромагнитного взаимодействий стимулировали разработку идеи объединения сильных, электрослабых и гравитационных взаимодействий в рамках единой теории. Иными словами, речь уже идет об исследовании субэлементарного уровня организации материи, о выяснении единой природы всех элементарных частиц. По-видимому, именно в закономерностях этого уровня скрыты основные тайны нашей Вселенной, предопределившие особенности ее эволюции. Вообще для современной науки характерно, что чем глубже она проникает в микромир, тем больше возможностей открывается для понимания крупномасштабной структуры Вселенной. Последняя не является вечной и неизменной, а представляет собой результат развития материи, своеобразную реализацию тех потенциальных возможностей, которые были заложены в глубинах микромира.
Элементарный уровень организации материи включает наряду с элементарными частицами еще и такой необычный физический объект, как вакуум. Физический вакуум — не пустота, а особое состояние материи. В вакуум погружены все частицы и все физические тела. В нем постоянно происходят сложные процессы, связанные с непрерывным появлением и исчезновением так называемых «виртуальных частиц».
Виртуальные частицы — это своеобразные потенции соответствующих типов элементарных частиц, их «вакуумные корни», частицы, готовые к рождению, но не рождающиеся, возникающие и исчезающие в очень короткие промежутки времени. При определенных условиях они могут вырваться из вакуума, превращаясь в «нормальные» элементарные частицы, которые живут относительно независимо от породившей их среды и могут взаимодействовать с ней.
Первые шаги по пути исследования субэлементарного уровня материи привели к принципиально новым идеям о качественном многообразии вакуума. Выяснилось, что физический вакуум способен скачком перестраивать свою структуру. Такие переходы из одного состояния к другому, связанные с резким изменением характеристик системы, в физике называют фазовыми (известным их примером служат переходы воды в пар и лед). Физический вакуум тоже оказался способным к фазовым скачкам.
Эти новые идеи современной физики микромира послужили опорой необычных представлений о развитии нашей астрономической Вселенной, о ее возникновении путем взрыва, связанного с массовым рождением элементарных частиц в результате одного из фазовых переходов вакуума. Взаимодействие объектов субэлементарного уровня и возникающих на их основе элементарных частиц служит фундаментом для образования более сложных материальных систем. Из элементарных частиц строятся атомы, которые являются качественно специфическим видом материи.
Элементарные частицы, ядра атомов, ионы (атомы, потерявшие часть электронов на электронных оболочках) могут образовать особое состояние материи, подобие газа, которое называется плазмой. Огромные плазменные тела, стянутые электромагнитными, гравитационными полями, образуют звезды, представляющие особый уровень организации материи. В их недрах протекают ядерные реакции, в ходе которых одни частицы превращаются в другие, и за счет этого звезды постоянно излучают энергию.
Звезды выступают как своеобразные кузницы атомов. Благодаря протекающим в них превращениям элементарных частиц образуются ядра атомов, на периферии же и в окрестностях звезд при понижении температуры, а также вследствие выбросов вещества из звезд при их взрывах возникают атомы. В результате взаимодействия атомов формируется следующий уровень организации материи — молекулы. За молекулами следует уровень макротел (жидких, твердых, газообразных). Особый тип макротел, который можно считать специфическим видом материи, образуют планеты — тела со сложной внутренней структурой, имеющие ядро, литосферу, а в ряде случаев атмосферу и гидросферу. Звезды и планеты составляют планетные системы.
Огромные скопления звезд, планетных систем, межзвездной пыли и газа, взаимодействующих между собой, образуют особые объекты, которые называют галактиками. Земля принадлежит к одной из таких галактик, которая представляет собой гигантскую эллипсовидную спиралеобразную систему. Основная масса звезд, относящихся к нашей галактике, сосредоточена в диске размером 100 тыс. световых лет по диаметру и толщиной в 1500 световых лет (напомним, что скорость света около 300 тыс. км/с). Наше Солнце находится на окраине галактики и вращается вокруг ее ядра, делая полный оборот за 200 млн лет (так называемый галактический год).
Ядро галактики, состоящее из очень плотного скопления звезд, разогретого межзвездного газа и пыли, а возможно, и включающее гипотетические сверхплотные тела, мы непосредственно наблюдать не можем. Солнце движется в настоящее время в той части галактического пространства, где ядро закрыто от Земли обширной пылевой туманностью. Через несколько миллионов лет Земля выйдет из-за этого «экрана», и тогда она будет подвержена излучениям, идущим от ядра. Сейчас ядро нашей галактики спокойное; оно излучает постоянный поток энергии. Но в принципе ядра галактик могут быть и активными, способными к выбросам за короткий промежуток времени (за несколько месяцев и даже недель) чрезвычайно больших количеств энергии. Не исключено, что ядро нашей галактики через определенные (хотя и весьма длительные) промежутки времени тоже может проявлять взрывную активность. Возможно, что если бы в периоды взрывных процессов Земля не была экранирована пылевыми туманностями, а была открыта, то излучения ядра влияли бы на состояние и развитие жизни на ней. Важно осознавать, что и земная жизнь, и человечество как ее часть зависят от организации космоса. Поэтому знание принципов его организации необходимо для понимания и происхождения земной жизни и наших взаимодействий с природой.
Галактики разных типов образуют скопления — системы галактик, которые представляют собой особые объекты, обладающие свойствами целостности. Если, несмотря на огромные расстояния между галактиками (в десятки, сотни миллионов и более световых лет), провести аналогию между молекулами макротела и галактиками в скоплениях, то оказывается: такие скопления можно уподобить весьма вязкой среде.
Наконец, кроме скопления галактик есть еще более высокий уровень организации материи — Метагалактика, представляющая собой систему взаимодействующих скоплений галактик. При этом они взаимодействуют так, что удаляются друг от друга с очень большими скоростями. И чем дальше отстоят они друг от друга, тем больше скорость их взаимного разбегания. Этот процесс называется расширением Метагалактики и представляет ее особое системное свойство, определяющее ее бытие. Расширение Метагалактики началось с момента ее возникновения. Согласно представлениям современной космологии, Метагалактика возникла примерно 20 млрд лет назад в результате Большого Взрыва. Сам этот взрыв наука связывает с перестройками структуры физического вакуума, с его фазовыми переходами от одного состояния к другому, которые сопровождались выделением огромных энергий. Так что рождение нашей Вселенной (Метагалактики) — не акт ее творения из ничего (как это пытаются трактовать современные теологи), а результат развития, качественных преобразований одного состояния материи в другое.
Современная наука допускает возможность возникновения и сосуществования множества миров, подобных нашей Метагалактике и называемых внеметагалактаческими объектами. Их сложные взаимоотношения образуют многоярусную Большую Вселенную — материальный мир с бесконечным разнообразием форм и видов материи. Причем не во всех этих мирах возможно то многообразие видов материи, которое возникает в истории нашей Метагалактики.
Строение материи на биологическом и социальном уровнях
На определенном этапе развития Метагалактики, в рамках некоторых планетных систем, создаются условия для формирования из молекул неживой природы материальных носителей жизни. Как и неживая природа, жизнь имеет ряд уровней своей материальной организации. Можно выделить: системы доклеточного уровня — нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и белки; клетки как особый уровень биоорганизации, самостоятельно существующей в виде одноклеточных организмов; многоклеточные организмы (растения, животные). Особые уровни организации живой материи образуют надорганизменные структуры. К ним относятся прежде всего популяции — сообщества особей одного вида, которые связаны между собой общим генофондом, скрещиваются и воспроизводят себя в потомстве.
Любая популяция представляет собой особую системную целостность. Стая волков в лесу, стая рыб в озере, муравейник, группы размножающихся растений одного вида (например, разрастающийся кустарник) — все это популяции. Целостность популяции регулирует поведение и размножение отдельных входящих в нее организмов. Когда, скажем, биомасса стаи саранчи превышает определенный предел, учащаются соприкосновения отдельных особей в стае и включаются механизмы, тормозящие программы их размножения. При увеличении числа пчел в улье популяция начинает делиться (роение пчел). У популяций многих животных существуют сложные системы сигналов, которые определяют поведение одной особи по отношению к другой, включают определенные программы этого поведения и тем самым регулируют отношения особей в рамках соответствующего сообщества. Это могут быть звуковые сигналы, запахи, позы и т. д.
Кроме популяций к надорганизменным уровням организации живой материи относятся виды и биоценозы. Последние образуются в результате взаимодействия некоторого множества популяций между собой и с окружающей средой. В целостной системе биоценоза эти популяции связаны так, что продукты жизнедеятельности одних становятся условиями жизни других. Так, лес — это биоценоз, в котором популяции живущих в нем животных, а также растений, грибов, лишайников, микроорганизмов взаимодействуют между собой, образуя целостную систему. Благодаря такому взаимодействию, сложным обменным процессам между продуктами жизнедеятельности разных популяций создаются условия для их совместного существования. Многие популяции могут жить только в рамках определенного биоценоза.
Наконец, взаимодействие биоценозов образует глобальную систему жизни — биосферу. В этой целостной системе различные биоценозы взаимодействуют не только между собой, но и с воздушной оболочкой, через которую идет теплообмен Земли с космическим пространством, с водной средой, с горными породами. При нарушении этих взаимодействий меняется вся сфера жизни на Земле. Для того чтобы поддерживалось ее динамическое равновесие, необходимо не только воспроизводство определенных условий обитания различных организмов, популяций, биоценозов, но и некоторый уровень их разнообразия. При уменьшении этого разнообразия ниже определенного уровня вся биосфера начинает вырождаться.
Люди являются частью сферы жизни на Земле. Благодаря постоянно увеличивающемуся производственному воздействию на окружающую среду они могут внести и (чем дальше, тем больше) вносят возмущения в динамику биосферы. На современном этапе эти возмущения становятся столь существенными, что начинают грозить необратимым вырождением биосферы. Знание ее законов, понимание своего места в ее динамике является ныне одним из условий самого человеческого существования и поэтому обретает огромную мировоззренческую ценность.
Развитие биосферы, связанное с появлением в ней все новых уровней организации, является результатом ее функционирования и эволюции как целого в рамках еще более широкой целостности — развивающейся Вселенной (Метагалактики). И подобно тому как в неживой природе формирование каждого нового уровня материальных систем обусловлено целым Метагалактики, так и дифференциация биосферы на качественно специфические уровни организации живой материи обусловлена ее развитием как сложной развивающейся системы. На определенном этапе развития в биосфере возникают особые популяции живых существ, которые благодаря развивающейся орудийной деятельности трансформируют биологические формы своего существования в социальную жизнь. В рамках биосферы начинает развиваться особый тип материальной системы — человеческое общество. Здесь тоже возникают особые подструктуры — семья, классы, нация и другие, причем многие из этих подструктур исторически изменчивы, существуют только на определенных этапах человеческой истории и преобразуются в новые подструктуры усложняющегося разнообразия человеческой общественной жизни.
Как особый уровень организации материи, человеческое общество существует благодаря деятельности людей и включает в качестве обязательного условия своего функционирования и развития их духовную жизнь. Взаимодействие с окружающей природой, осуществляемое человеком в его практике, представляет собой не просто потребление вещества природы, которое преобразуется человеческой деятельностью. Само это преобразование опирается на законы развития мира и может быть представлено как реализация маловероятных для естественной природной среды линий ее развития.
Большинство предметов и процессов искусственно созданной человеком «второй природы» не могут самопроизвольно возникать в нашей Метагалактике. Природа не создала ни колеса, ни автомобиля, ни ЭВМ, хотя какие-то, иногда отдаленные, их аналоги можно обнаружить среди объектов естественной природной среды. Самосборка автомобиля или счетной машины на полупроводниках в самой природе без человека неосуществима, но как воплощение в материал природы человеческих целей, как опредмечивание человеческого духа эти объекты обретают реальное бытие. Эволюция создаваемой человеком искусственной природной среды есть особая линия развития материи, возможная только в рамках человеческого общества.
В человеческой жизнедеятельности как бы сталкиваются различные линии саморазвития материи: с одной стороны, естественная эволюция неживой и живой природы, с другой — искусственная, только в обществе реализуемая эволюция материи. Причем вторая, возникающая благодаря человеческой деятельности линия эволюции материи реализуется не только в формах развивающейся предметной среды, которую создает человек в процессе производства, но и в форме развития самого человека, который развертывает свои природные возможности, строит новые разнообразные формы общения и социальных отношений и в этом процессе изменяет самого себя.
Понимание истории человечества как особого этапа грандиозного развития материи ставит интереснейшие мировоззренческие проблемы возможности существования иных цивилизаций, путей их развития, космического будущего человечества. Эти проблемы имеют общекультурный смысл и обсуждаются в философии. Научное мировоззрение современной эпохи расширяет масштабы понимания человеческого бытия, а развитие научной картины мира дает новый и подчас неожиданный материал для философских размышлений над вечными мировоззренческими вопросами о месте человека в мире и о будущем человечества.
