Увидеть мир в одной песчинке
И космос весь – в лесной тропинке,
Вместить в ладони бесконечность
И в миге мимолётном вечность …
Уильям Блейк
Окружающий нас мир проявляется в различных видах и формах материи и её движения. Материя – это всё, что прямо или косвенно действует на органы чувств человека и другие объекты. Она тождественна реальности. Неотъемлемое свойство материи – движение. Без движения нет материи и наоборот. Движение – любое изменение, происходящее с материальными объектами в результате их взаимодействия. Материя не существует в бесформенном состоянии – из неё образуется сложная иерархическая система материальных объектов различных видов, масштабов и сложности.
Отличительная особенность естественно-научного познания заключается в том, что для естествоиспытателей представляет интерес не сама материя или движение вообще, а конкретные виды материи и движения, свойства материальных объектов, их характеристики, которые можно измерить с помощью приборов и таким образом количественно оценить их. В современном естествознании различают три вида материи: вещество, физическое поле и физический вакуум.
Вещество – основной вид материи, обладающий массой. К вещественным объектам относятся элементарные частицы, атомы, молекулы и многочисленные образованные из них материальные системы. В химии все вещества подразделяются на простые (с атомами одного химического элемента) и сложные – химические соединения. Свойства вещества зависят от его состава, структуры и внешних условий.
Интенсивностью взаимодействия атомов и молекул определяются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое и газообразное.При очень высокой температуре образуется плазма. Переход вещества из одного состояния в другое можно рассматривать как один из видов движения материи. Различные виды движения материи можно классифицировать с учётом изменений свойств материальных объектов и их воздействий на окружающий мир. Механическое движение (относительное перемещение тел), колебательные и волновые процессы, распространение и изменение различных полей, тепловое (хаотическое) движение атомов и молекул, равновесные и неравновесные процессы в макросистемах, фазовые переходы между агрегатными состояниями (плавление, парообразование и др.), радиоактивный распад, химические и ядерные реакции, развитие живых организмов и биосферы, эволюция звёзд, галактик и Вселенной в целом – всё это примеры различных видов движения материи.
Физическое поле – особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. К физическим полям относятся электромагнитное и гравитационноеполя, поле ядерных сил, волновые (квантовые) поля, соответствующие различным частицам (например, электрон-позитронное поле). Один из источников физического поля – частицы, и для электростатического поля – это электроны и протоны. Созданные частицами физические поля переносят с конечной скоростью взаимодействие между ними. В квантовой теории взаимодействие определяется обменом квантами поля между частицами.
Физический вакуум – низшее энергетическое состояние квантового поля. Этот термин введён в квантовой теории поля для объяснения некоторых микропроцессов. Среднее число частиц – квантов поля – в вакууме равно нулю, однако в нём могут рождаться виртуальные частицы – частицы в промежуточных состояниях, существующие непродолжительное время. Виртуальные частицы влияют на физические процессы. В физическом вакууме могут рождаться пары частица-античастица разных видов. При достаточно большой концентрации энергии вакуум взаимодействует с реальными частицами, что подтверждается экспериментом. Предполагается, что из физического вакуума, находящегося в возбуждённом состоянии, родилась Вселенная.
Всеобщими универсальными формами существования и движения материи принято считать время и пространство. Движение материальных объектов и различные реальные процессы происходят в пространстве и во времени. Особенность естественно-научного представления об этих понятиях заключается в том, что время и пространство можно охарактеризовать количественно с помощью измерительных приборов.
Время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикойлюбого процесса или явления. Время – это то, что можно измерить с помощью специальных приборов или широко распространённых часов. Принцип их работы основан на различных периодических процессах: вращении Земли вокруг собственной оси, электромагнитное излучение возбуждённых атомов и других. Природа наделила человека удивительным свойством интуитивно определять время с помощью биологических часов, которые отсчитывают циклы, примерно равные 24 часа. Такое восприятие времени неосознанной осуществляется головным мозгом.
Многие крупные достижения в естествознании связаны с разработкой более точных приборов для определения времени. Существующие сегодня эталоны позволяют измерить время с очень высокой точностью – например, относительная погрешность для водородного эталона времени не превышает 5 ∙10–15. В последние десятилетия в качестве эталона времени используются атомные часы, в которых источник колебаний не маятник и не кварцевый генератор, а сигналы, определяемые квантовым переходом электронов между двумя энергетическими уровнями атома. Эти сигналы имеют очень высокую стабильность энергии и частоты колебаний. В современном представлении секунда – это промежуток времени, точно равный 9 192 631 770 периодам излучения, каждый из которых соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Возможно, в скором будущем примут новый эталон времени – пульсары, которые по стабильности сигналов не уступают самым точным атомным часам.
Временная характеристика реальных процессов основывается на постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Хотя постулат времени кажется естественными очевидным, его истинность всё же относительна, так как его нельзя проверить на опыте даже с помощью самых совершенных часов, поскольку, во-первых, они характеризуются своей точностью и, во-вторых, невозможно создать принципиально одинаковые условия в природе в разное время. Вместе с тем длительная практика естественно-научных исследований позволяет не сомневаться в справедливости постулата времени в пределах той точности, которая достигнута в данный момент времени.
В классической механике более трёх веков назад И. Ньютон ввёл понятие абсолютного, или истинногоматематического времени, которое течёт всегда и везде равномерно, и относительного времени как меры продолжительности, употребляемой в обыденной жизни и означающей определённый интервал времени: час, день, месяц и т.д.
В современном представлении время всегда относительно. Из теории относительности следует, что при скорости, близкой к скорости света в вакууме, время замедляется – происходит релятивистское замедление времени, и что сильное поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени. В обычных земных условиях такие эффекты чрезвычайно малы.
Важнейшее свойство времени заключается в его необратимости. Прошлое во всех деталях и подробностях нельзя воспроизвести в реальной жизни – оно забывается и полностью не производится никакими другими средствами. Необратимость времени обусловлена сложным взаимодействием множества природных систем, в том числе атомов имолекул, и символически называется стрелой времени, «летящей» всегда из прошлого в будущее. Необратимость реальных процессов в термодинамике объясняется хаотичным движением атомов и молекул.
Понятие пространства гораздо сложнее понятия времени. В отличие от одномерного времени реальное пространство трёхмерно, то есть имеет три измерения. В трёхмерном пространстве существуют атомы и планетные системы, выполняются фундаментальные законы природы. Однако выдвигаются гипотезы, согласно которым пространство нашей Вселенной имеет много измерений, хотя наши органы чувств способны воспринимать только три из них. Реальное и очевидное представление о пространстве подтверждается существованием в природе твёрдых тел, занимающих определённый объем. Исходя из него, можно дать определение: пространство выражает порядок сосуществования физических тел.Завершённая теория пространства – геометрия Евклида – разработана и представлена более 2000 лет назад и до сих пор считается одним из первыхпоказательных образцов подлинной научной теории.
По аналогии с абсолютным временем И. Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое существует независимо от находящихся в нём физических объектов и может быть совершенно пустым, являясь как бы мировой ареной, где разыгрываются физические процессы. Свойства пространства определяются геометрией Евклида. Именно такое представление о пространстве лежит в основе практической деятельности людей. Однако пустое пространство идеально, в то время как реальный окружающий нас мир заполнен множеством материальных объектов.
Идеальное пространство без материальных объектов лишено смысла даже, например, при описании самого простого и наглядного движения – механического движения какого-либо тела, для которого необходимо указать другое тело в качестве системы отсчёта. Механическое движение тел относительно. Абсолютного движения, как и абсолютного покоя тел, в природе не существует. Пространство, как и время, относительно.
Библиографические ссылки
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов, 13-е изд. М.: Директ-Медиа, 2018.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум, 6-е изд. М.: Директ-Медиа, 2016.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник в 2-х кн., 2-е изд., М.: Директ-Медиа, 2017.
Карпенков С.Х. Экология. Практикум, 2-е изд. М.: Директ-Медиа, 2022.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник для бакалавров. М.: Логос, 2014.
Карпенков С.Х. Технические средства информационных технологий. 4-е изд. М.: Директ-Медиа, 2021.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Справочник. М.: Высшая школа, 2004.
Карпенков С.Х. Незабытое прошлое. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Воробьёвы кручи. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Русский богатырь на троне. М.: ООО «Традиция», 2019.
Карпенков С.Х. Стратегия спасения. Из бездны большевизма к великой
России. М.: ООО «Традиция», 2018.
Карпенков С.Х. К истории одного преступления // Уничтоженные как класс. М.: ООО «Традиция», 2020. С. 3 – 65.
Карпенков Степан Харланович
