Важнейшее свойство материи – её структурная и системная организация, выражающая упорядоченность существования материи в виде великого множества материальных объектов различных масштабов и уровней, связанных между собой единой системой иерархии. Непосредственно наблюдаемые нами материальные тела состоят из молекул, молекулы – из атомов, атомы – из ядер и электронов, атомные ядра – из нуклонов, нуклоны – из кварков. Сегодня принято считать, что электроны и гипотетические частицы кварки не содержат более мелких частиц.
С биологической точки зрения самая крупная материальная система – биосфера – область распространения жизни на Земле, включающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу, литосферу вместе с различными видами живых организмов. Она состоит из множества биоценозов – совокупности растений, животных и микроорганизмов, населяющих данный участок суши или воды. Биоценозы включают сообщества различных популяций, образованных из особей одного вида, живой организм которых построен из органов, органы – из клеток, а клетки содержат цитоплазму, ядро, мембрану и другие составные части.
В современном естествознании все материальные системы принято условно делить на микромир, макромир и мегамир. К микромиру относятся молекулы, атомы и элементарные частицы. Материальные объекты, состоящие из огромного числа атомов и молекул, образуют макромир. Самая крупная система материальных объектов – мегамир – мир планет, звёзд, галактик и Вселенной.
Материальные системы микро-, макро- и мегамира различаются между собой размерами, характером доминирующих свойств, происходящих в них процессов и фундаментальными законами, которым они подчиняются. Пространственные масштабы и размеры (в метрах с точностью до одного порядка чисел) некоторых материальных объектов представлены ниже.
Радиус космологического горизонта или
наблюдаемой Вселенной 1026
Диаметр нашей Галактики 1021
Расстояние от Земли до Солнца 1011
Диаметр Солнца 109
Размеры человека 100
Длина волны видимого света 10–6 – 10–7
Размер вирусов 10–6 – 10–8
Диаметр атома водорода 10–10
Диаметр атомного ядра 10–15
Минимальное расстояние, доступное
современным средствам измерений 10 –18
Отношение самого большого размера материальных объектов к самому малому составляет сегодня 44 порядка, и оно возрастало и будет возрастать по мере накопления естественно-научных знаний об окружающем мире. «Мир наш – только школа, где мы учимся познавать», – справедливо заметил французский философ Мишель Монтень (1533–1592). Важнейшая концепция современного естествознания заключается в материальном единстве микро-, макро- и мегамира, которое свидетельствует о единой природе происхождения всех материальных систем на разных стадиях эволюции Вселенной.
Материальные объекты микро-, макро- и мегамира отличаются друг от друга не только своими размерами, но и другими количественными характеристиками. Например, в химии принято считать: один моль любого вещества (характерное количество вещества для макрообъектов, составляющее, например, для воды 18 г) содержит огромное число молекул или атомов, называемое постоянной Авогадро и примерно равное 6 ·1023 моль–1. Солнце, как предполагается, состоит из колоссального числа частиц – 8 ·1056 ядер атомов водорода и 9 ·1055 ядер атомов гелия.
Свойства и характеристики материальных объектов микро-, макро- и мегамира описываются разными теориями, принципами и законами. При объяснении процессов и явлений в микромире используются принципы и теории квантовой механики и квантовой статистики. Описание свойств материальных объектов макросистем основано на законах и теориях классической механики Ньютона, термодинамики и статической физики, классической электродинамики Максвелла. Вместе с тем многие понятия и концепции (энергия, импульс и др.), введённые в классической физике для характеристики свойств материальных объектов макромира, используются для объяснения процессов, происходящих в микро- и мегамире. Движение планет Солнечной системы описывается законом всемирного тяготения и законами Кеплера. Происхождение и эволюция Вселенной объясняются на основании комплекса естественно-научных знаний, включающих физику элементарных частиц, квантовую теорию поля и теорию относительности.
Материальные объекты образуют целостную систему лишь в том случае, если энергия связи между ними больше кинетической энергии каждого из них. Энергия связи – это та энергия, которую необходимо затратить, чтобы полностью разделить систему на её составляющие части. Величина энергии связи природных систем на различных уровнях организации материи зависит от вида взаимодействия и характера сил, объединяющих материальные объекты в систему. Например, существование в течение миллиардов лет звёзд, в том числе и Солнца, обусловливается устойчивым равновесием между энергией взаимного гравитационного притяжения частиц, стремящегося сжать вещество звезд, и энергией их теплового движения, приводящего к его разделению и рассеиванию в пространстве. В макротелах атомы и молекулы объединяются молекулярными силами, электростатическими по своей физической природе.
Фундаментальные физические законы описывают все материальные объекты вне зависимости от того, где они находятся. Например, с помощью законов сохранения энергии и импульса можно количественно охарактеризовать не только движение макротел на Земле, но и взаимодействие элементарных частиц, движение планет и звёзд. Атомы везде одинаковы – на Земле и в космическом пространстве. Всё это означает, что фундаментальные законы природы универсальны – они применимы к объектам всего мира, доступным нашим наблюдениям с помощью самых совершенных и чувствительных приборов. Универсальность фундаментальных законов подтверждается экспериментальными результатами многочисленных исследований различных свойств материальных объектов микро-, макро- и мегамира и свидетельствуют о материальном единстве природы и Вселенной в целом.
Библиографические ссылки
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов, 12-е изд. М.: Директ-Медиа, 2014.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум, 6-е изд. М.: Директ-Медиа, 2016.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник в 2-х кн. М.: Директ-Медиа, 2017.
Карпенков С.Х. Экология. Практикум. М.: Директ-Медиа, 2014.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник для бакалавров. М.: Логос, 2014.
Карпенков С.Х. Технические средства информационных технологий. 3-е изд. М.: Директ-Медиа, 2015.
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 Степан Харланович
