Структурні рівні організації матерії

           3.2. Макросвіт. В історії вивчення природи можна виділити два етапи: донауковий і науковий.

           Донауковий, або натурфілософський, охоплює період від античності до становлення експериментального природознавства в XVI-XVII ст. Спостережувані природні явища пояснювалися на основі умоглядних філософських принципів.

           Найбільш значущою для подальшого розвитку природничих наук булла концепція дискретної будови матерії (атомізм), згідно з яким всі тіла складаються з атомів – найдрібніших частинок у світі.

           Зі становлення класичної механіки починається науковий етап вивчення природи.

           Оскільки сучасні наукові уявлення про структурні рівні організації матерії були вироблені в ході критичного переосмислення уявлень класичної науки, які можна застосувати тільки до об'єктів макрорівня, то починати потрібно з концепцій класичної фізики.

           Формування наукових поглядів на будову матерії відноситься до XVI ст., коли Г. Галілеєм було закладено основу першої в історії науки фізичної картини світу – механічної. Він не просто обгрунтував геліоцентричну систему М. Коперника і відкрив закон інерції, а й розробив методологію нового способу опису природи – науково-теоретичного. Суть його полягала в тому, що виділялися лише деякі фізичні і геометричні характеристики, які ставали предметом наукового дослідження [8].

            І. Ньютон, спираючись на праці Галілея, розробив строгу наукову теорію механіки, яка описує і рух небесних тіл, і рух земних об'єктів одними й тими самими законами. Природа розглядалася як складна механічна система.

           У рамках механічної картини світу, розробленої І. Ньютоном і його послідовниками, склалася дискретна (корпускулярна) модель реальності. Матерія розглядалася як речова субстанція, що складається з окремих часток – атомів або корпускул. Атоми абсолютно міцні, неподільні, непроникні, характеризуються наявністю маси і ваги.

           Суттєвою характеристикою ньютонівського світу був тривимірний простір евклідової геометрії, яка абсолютно постійно і завжди перебуває у спокої. Час уявлявся як величина, яка не залежить ні від простору, ні від матерії. Рух розглядався як переміщення в просторі за безперервними траєкторіями відповідно до законів механіки.

           Підсумком ньютонівської картини світу з'явився образ Всесвіту як гігантського і повністю детермінованого механізму, де події та процеси являють собою ланцюг взаємозалежних причин і наслідків.

           Механістичний підхід до опису природи виявився надзвичайно плідним. Слідом за ньютонівською механікою були створені гідродинаміка, теорія пружності, механічна теорія тепла, молекулярно-кінетична теорія і цілий ряд інших, в руслі яких фізика досягла величезних успіхів. Проте були дві області – оптичних та електромагнітних явищ, які не могли бути повністю пояснені в рамках механістичної картини світу.

           Поряд з механічною корпускулярною теорією, здійснювалися спроби пояснити оптичні явища принципово іншим шляхом, а саме – на основі хвильової теорії, сформульованої X. Гюйгенсом. Хвильова теорія встановлювала аналогію між поширенням світла і рухом хвиль на поверхні води або звукових хвиль у повітрі. У ній передбачалась наявність пружного середовища, що заповнює весь простір, – світлоносного ефіру. Виходячи з хвильової теорії X. Гюйгенс успішно пояснив віддзеркалення і заломлення світла [13].

           Іншою областю фізики, де механічні моделі виявилися неадекватними, була область електромагнітних явищ. Експерименти англійського природодослідника М. Фарадея і теоретичні роботи англійського фізика Дж. К. Максвелла остаточно зруйнували погляди ньютонівської фізики про дискретну речовину як єдиний вид матерії і поклали початок електромагнітної картини світу.

           Явище електромагнетизму відкрив датський натураліст X. К. Ерстед, який вперше зауважив магнітну дію електричних струмів. Продовжуючи дослідження в цьому напрямку, М. Фарадей виявив, що тимчасова зміна в магнітних полях створює електричний струм.

           М. Фарадей прийшов до висновку, що вчення про електрику і оптику взаємопов'язані і утворюють єдину область. Його роботи стали вихідним пунктом досліджень Дж. К. Максвелла, заслуга якого полягає в математичній розробці ідей М. Фарадея про магнетизм і електрику. Максвелл «перевів»модель силових ліній Фарадея в математичну формулу. Поняття «поле сил» спочатку складалося як допоміжние математичне поняття. Дж. К. Максвелл додав йому фізичний зміст і став розглядати поле як самостійну фізичну реальність: «Електромагнітне поле - це та частина простору, яка містить в собі і оточує тіла, що знаходяться в електричному або магнітному стані » [7].

           Виходячи зі своїх досліджень, Максвелл зміг зробити висновок, що світлові хвилі являють собою електромагнітні хвилі. Єдина сутність світла і електрики, яку М. Фарадей припустив в 1845 р., а Дж. К. Максвелл теоретично обгрунтував у 1862 р., була експериментально підтверджена німецьким фізиком Г. Герцем в 1888 р.

           Після експериментів Г. Герца у фізиці остаточно утвердилося поняття поля не в якості допоміжної математичної конструкції, а як об'єктивно існуючої фізичної реальності. Був відкритий якісно новий, своєрідний вид матерії.

           Отже, до кінця XIX ст. фізика прийшла до висновку, що матерія існує в двох видах: дискретної речовини і безперервного поля.

           У результаті ж наступних революційних відкриттів у фізиці в кінці минулого і початку нинішнього століть виявилися зруйнованими подання класичної фізики про речовину і поле як двох якісно своєрідних видах матерії.

           3.3. Мегасвіт. Мегасвіт або космос, сучасна наука розглядає як взаємодіючу і ту, що розвивається систему всіх небесних тіл.

           Всі існуючі галактики входять в систему найвищого порядку – Метагалактику. Розміри Метагалактики дуже великі: радіус космологічного горизонту становить 15 - 20 млрд. світлових років.

            Поняття «Всесвіт» і «Метагалактика» – дуже близькі поняття: вони характеризують один і той самий об'єкт, але в різних аспектах. Поняття «Всесвіт» позначає весь існуючий матеріальний світ; поняття «Метагалактика» – той же світ, але з точки зору його структури – як упорядковану систему галактик.

           Будова та еволюція Всесвіту вивчається космологією. Космологія як розділ природознавства, знаходиться на своєрідному стику науки, релігії і філософії. В основі космологічних моделей Всесвіту лежать певні світоглядні передумови, а самі ці моделі мають велике світоглядне значення.

           У класичній науці існувала так звана теорія стаціонарного стану Всесвіту, відповідно до якої Всесвіт завжди був майже таким, як зараз. Астрономія була статичною: вивчалися рухи планет і комет, описувалися зірки, створювалися їх класифікації, що було, звичайно, дуже важливо. Але питання про еволюцію Всесвіту не ставилося.

           Сучасні космологічні моделі Всесвіту грунтуються на загальній теорії відносності А. Ейнштейна, згідно з якою метрика простору і часу визначається розподілом гравітаційних мас у Всесвіті. Її властивості як цілого обумовлені середньою щільністю матерії та іншими конкретно-фізичними факторами.

            Рівняння тяжіння Ейнштейна має не одне, а безліч рішень, чим і зумовлена наявність багатьох космологічних моделей Всесвіту. Перша модель була розроблена самим А. Ейнштейном в 1917 р. Він відкинув постулати ньютонівської космології про абсолютність і нескінченність простору і часу. Відповідно до космологічної моделі Всесвіту А. Ейнштейна світовий простір однорідний та ізотропний, матерія в середньому розподілена в ньому рівномірно, гравітаційне тяжіння мас компенсується універсальним космологічним відштовхуванням. Час існування Всесвіту нескінченний, тобто не має ні початку, ні кінця, а простір безмежний.

            Всесвіт у космологічної моделі А. Ейнштейна стаціонарний, нескінченний в часі і безмежний в просторі.

           У 1922р. російський математик і геофізик А.А Фрідман відкинув постулат класичної космології про стаціонарность Всесвіту і отримав рішення рівняння Ейнштейна, що описує Всесвіт з «простором, що розширюється».

           Оскільки середня густина речовини у Всесвіті невідома, то сьогодні ми не знаємо, в якому з цих просторів Всесвіту ми живемо.

           У 1927 р. бельгійський абат і вчений Ж. Леметр зв'язав «розширення» простору з даними астрономічних спостережень. Леметр ввів поняття початку Всесвіту як сингулярності (тобто надщільного стану) і народження Всесвіту як Великого вибуху.

            У 1929 р. американський астроном Хаббл виявив існування дивної залежності між відстанню і швидкістю галактик: всі галактики рухаються від нас, причому зі швидкістю, яка зростає пропорційно відстані, – система галактик розширюється.

           Розширення Всесвіту вважається науково встановленим фактом. Згідно з теоретичними розрахунками Ж. Леметра, радіус Всесвіту в первісному стані був 10-12 см, що близько за розмірами до радіуса електрона, а її щільність становила 1096 г/см³. У сингулярному стані Всесвіт представляв собою мікрооб'єкт з мізерно малими розмірами. Від початкового сингулярного стану Всесвіт перейшов до розширення в результаті Великого вибуху.

           Ретроспективні розрахунки визначають вік Всесвіту в 13-20 млрд. років. Г. А. Гамов припустив, що температура речовини була велика і падала з розширенням Всесвіту. Його розрахунки показали, що Всесвіт у своїй еволюції проходить певні етапи, в ході яких відбувається утворення хімічних елементів і структур. У сучасній космології для наочності початкову стадію еволюції Всесвіту ділять на «ери» [4].

           Ера адронів. Важкі частинки, які вступають в сильну взаємодії.

            Ера лептонів. Легкі частинки, що вступають у електромагнітну взаємодію.

           Фотонна ера. Тривалість 1 млн. років. Основна частка маси – енергії Всесвіту – припадає на фотони.

            Зоряна ера. Настає через 1 млн. років після зародження Всесвіту. У зоряну еру починається процес утворення протозірок і протогалактик.

           Потім розгортається грандіозна картина утворення структури Метагалактики.

           У сучасній космології поряд з гіпотезою Великого вибуху вельми популярна інфляційна модель Всесвіту, в якій розглядається творіння Всесвіту. Ідея творіння має дуже складне обгрунтування і пов'язана з квантовою космологією. В цій моделі описується еволюція Всесвіту починаючи з моменту 10-45 с після початку розширення.

           Прихильники інфляційної моделі бачать відповідність між етапами космічної еволюції і етапами творення світу, описаними в книзі Буття в Біблії [3].

           Відповідно до інфляційної гіпотези космічна еволюція в ранньому Всесвіті проходить ряд етапів.

            Початок Всесвіту визначається фізиками-теоретиками як стан квантової супергравітації з радіусом Всесвіту в 10-50 см.

           Стадія інфляції. У результаті квантового стрибка Всесвіт перейшов в стан порушеного вакууму і під час відсутності в ньому речовини і випромінювання інтенсивно розширювався за експоненціальним законом. У цей період створювався сам простір і час Всесвіту. Всесвіт роздувся від неймовірно малих квантових розмірів 10-33 до неймовірно великих 101000000 см, що на багато порядків перевершує розмір спостережуваного Всесвіту – 1028 см. Весь цей початковий період у Всесвіті не було ні речовини, ні випромінювання.

           Перехід від інфляційної стадії до фотонної. Стан помилкового вакууму розпався, енергія, що вивільнилась, пішла на народження важких частинок і античастинок, які, дали могутній спалах випромінювання (світла), що освітило космос.

           Етап відділення речовини від випромінювання: речовина, що залишилась після анігіляції стала прозорою для випромінювання, контакт між речовиною і випромінюванням пропав. Випромінювання, яке відокремилось від речовини і становить сучасний реліктовий фон, теоретично передвіщений Г. А. Гамовим і експериментально виявлений в 1965 р.

           Надалі розвиток Всесвіту йшов у напрямку від максимально простого однорідного стану до створення дедалі більш складних структур – атомів (спочатку атомів водню), галактик, зірок, планет, синтезу важких елементів в надрах зірок, в тому числі і необхідних для створення життя, виникнення життя і як вінця творіння – людини.

           Різниця між етапами еволюції Всесвіту в інфляційній моделі та моделі Великого вибуху стосується тільки початкового етапу порядку 10-30 с, далі між цими моделями принципових розбіжностей у розумінні етапів космічної еволюції немає.

            Поки ж ці моделі за допомогою знань і фантазії можна розраховувати на комп'ютері, а питання залишається відкритим.

           Найбільша складність для вчених виникає при поясненні причин космічної еволюції. Можна виділити дві основні концепції, що пояснюють еволюцію Всесвіту: концепцію самоорганізації та концепцію креаціонізму.

           Для концепції самоорганізації матеріальний Всесвіт є єдиною реальністю, і ніякої іншої реальності окрім неї не існує. Еволюція Всесвіту описується в термінах самоорганізації: йде мимовільне упорядкування систем у напрямку встановлення все більш складних структур. Динамічний хаос породжує порядок.

           У рамках концепції креаціонізму, тобто творіння, еволюція Всесвіту зв'язується з реалізацією програми, яка визначається реальністю більш високого порядку, ніж матеріальний світ. Прихильники креаціонізму звертають увагу на існування у Всесвіті спрямованого номогенца – розвитку від простих систем до все більш складним і інформаційно ємних, під час якого створювалися умови для виникнення життя і людини. В якості додаткового аргументу залучається антропний принцип, сформульований англійськими астрофізиками Б. Карром і Ріссі.