Атрибуты материи: отражение и движение

Важнейшим свойством материи является отражение. Это - ее атрибут (лат. atributio - придаю, наделяю) - неотъемлемое и всеобщее свойство.

Отражение проявляется в способности материальных явлений, предметов и систем взаимодействовать друг с другом, каким-то образом проявлять себя по отношению к другим, вступать с ними в определенные отношения, воспроизводить в себе особенности объектов, с которыми осуществляется взаимодействие, и сохранять их «следы».

Объекты разной структурной организации по-разному отражают явления окружающего мира. Неживым объектам присуще «простое» отражение. Например, при столкновении пластилиновых шариков происходит их деформация, исследуя которую можно сделать вывод о параметрах столкновения. Живые объекты обладают «опережающим» отражением, то есть способны запоминать следы былых взаимодействий, при аналогично складывающихся обстоятельствах как бы заранее готовиться к ожидаемым воздействиям и адаптироваться (лат. adaptatio - приспособление)к ним. Например, деревья и животные заранее готовятся к холодному времени года. У человека опережающее отражение проявляется в способности моделировать ситуацию, прогнозировать возможные ее исходы, принимать оптимальные решения, планировать свою деятельность.

В окружающем мире все взаимодействует со всем. Классическая наука акцентирует внимание на двух механизмах взаимодействия: дальнодействие, которое осуществляется мгновенно посредством некой упругой среды - эфира - между удаленными телами (Ньютон); близкодействие, которое передается полем от точки к точке, непрерывно, с конечной скоростью (Фарадей).

Современной науке известны четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное (одноименных с названием соответствующих полей). Для двух протонов в ядре атома интенсивности этих взаимодействий относятся как 1: 10^-2: 10^-10: 10^-38.

Сила гравитационного взаимодействия определяется законом всемирного тяготения. Оно является универсальным, ему подвержены все без исключения тела природы, в том числе и микрочастицы. Но, так как последние имеют ничтожно малые массы, гравитационные взаимодействия в микромире существенной роли не играют. Несмотря на то, что это взаимодействие изучается давно, до сих пор нет однозначного ответа на вопрос, какова природа гравитации, каков «передаточный» механизм тяготения.

Электромагнитное взаимодействие описывают закон Кулона, закон взаимодействия токов, закон электромагнитной индукции. В электромагнитных взаимодействиях участвуют все объекты, имеющие электрический заряд. Переносчиком этих взаимодействий являются фотоны - кванты электромагнитного поля. Это взаимодействие в ~ 10³⁶ раз мощнее гравитационных и в явлениях микромира уже играет существенную роль. Радиус действия как гравитационных, так и электромагнитных взаимодействий бесконечно большой, силы взаимодействия обратно пропорциональны квадратам расстояний между взаимодействующими объектами.

Сильное или ядерное взаимодействие обуславливает связь нуклонов в ядре. Это взаимодействие короткоживущее, проявляется на расстояниях ~ 10^{-15 м. Энергия его в 137 раз больше энергии кулоновского взаимодействия.}

В слабом или распадном взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотонов. Радиус действия слабых взаимодействий - 10^-18м.

Взаимодействие - это процесс взаимного влияния объектов или систем друг на друга путем передачи (переноса) вещества, энергии и информации, это то, что заставляет мир и отдельные его объекты изменяться, обуславливает взаимосвязь процессов и явлений, определяет существование и структурную организацию любой материальной системы, выступает как объективная и универсальная причина движения материи. Количественной мерой взаимодействия является сила.

Окружающий нас мир динамичен, в нем нет ничего неизменного. Всякий раз во всем мы замечаем что-то новое - неповторимо каждое мгновение нашей жизни, нельзя вернуться в прошлое и точно так же повторить свой жизненный путь. Все необратимо. Любое изменение - перемещение ли тел в пространстве, изменение ли внутренней структуры систем, рост или развитие организмов и есть движение.Оно, как и отражение, - атрибут материи. Движение абсолютно (лат. absolutus - неограниченный, существующий всегда) и вечно, покой относителен.

И в то же время в изменяющемся мире наряду с появлением нового повторяется что-то старое. В этом большом круговороте событий небесные светила периодически занимают отведенные им на небосводе места, чередуются времена года, из года в год весной все живое просыпается от зимней спячки, каждый день, по известному распорядку, восходит и заходит cолнце, на смену ночи приходит день, на смену отмершим деревьям вырастают молодые, дети заменяют своих родителей. Но это постоянство относительно, оно является лишь частью или каким-то этапом изменения.

Но что движет миром? Должны же быть причины этих изменений. Что заставляет Землю вращаться вокруг своей оси, планеты - вокруг Солнца, протекать химические реакции, расти кристаллы или организмы? - Это энергия (греч. еnergeia - действие, деятельность). Источник ее - сама материя. Она является свойством материи, отражает степень воздействия одних тел на другие и проявляется в их способности совершать работу. Переданная телу энергия, совершаемая над ним работа или приложенная к нему сила определяют такие важные показатели движения, как ускорение и скорость.

Взаимодействие и движение обуславливают изменчивость мира, его подвижность и процессуальность (лат. processus - продвижение).

 

Пространство и время

 

Все процессы и события - исторические, геологические, физические, химические, биологические, социальные - протекают в пространстве и времени. Материя не существует вне пространства и вне времени.

Без пространственных представлений невозможны ориентация и любой вид деятельности. Развитие техники и архитектуры, воплощение инженерной мысли идут через их пространственное представление - чертеж. Пространство изучает специальный раздел математики - геометрия. С понятием пространства связаны наши представления о протяженности объектов. Его мы ощущаем как непрерывную совокупность точек - континуум (лат. continuum - непрерывное). Пространство трехмерно. Трехмерная система координат и связанная с ней система отсчета была введена французским математиком, физиком и философом Р. Декартом (1596-1650), которому, кроме того, современная наука обязана представлением о переменной величине и функции, формулировкой закона сохранения количества движения. Свойства пространства во всех направлениях одинаковы, оно изотропно. При параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел ее физические свойства и законы движения не зависят от выбора начала координат системы отсчета, пространство однородно.

Пространство трехмерно, однородно и изотропно.

Эта взаимосвязь отражается в математических выражениях фундаментальных законов природы - всемирного тяготения, взаимодействия электрических зарядов и токов:

 

F ~ (m₁ m₂)/ r², F ~ (q₁q₂)/ r², F ~ I₁ I₂/ r².

 

Всё их отличие лишь в том, что в одном случае в формуле стоят обозначения масс взаимодействующих тел, а в другом - электрических зарядов или токов.

То, что характеризует длительность событий, называют временем. Время не изучает никакая специальная наука, оно всего лишь один из объектов изучения физики. Его невозможно увидеть, но мы его чувствуем по ритмам природы (смена времен года, дня и ночи), связанным с движением небесных тел в пространстве, по своим собственным ритмам (ритмы в работе наших органов - сердца, мозга, отдельной клетки), созвучным природным. Если пространство можно обозревать полностью и любоваться им по частям, то время мы ощущаем отдельными мгновениями. Если в пространстве мы можем перемещаться в разных направлениях, то во времени это сделать невозможно - мы не можем совершить путешествие в будущее или прошлое и вернуться обратно в настоящий момент (если только не пофантазировать, не обратиться к историческому трактату, кинофильму, литературному произведению).

Время однородно, однонаправленно и необратимо.

Его однонаправленность и необратимость наглядно иллюстрируются ходом культурно-исторического развития цивилизации. Еще античные мыслители пытались связать время и движение (знаменитые апории Зенона), время и изменение мира. Гераклит считал, что время изменяется по прямой. Аристотель, наблюдая периодичность процессов природы, считал, что время течет по окружности. Архимед в своих «трактатах о спирали» предполагал, что время изменяется по спирали. Однако природа времени до сих пор остается нераскрытой.

Пространство, время, заряд и взаимодействие не существуют отдельно друг от друга. Это взаимосвязанные свойства материи.

Вся история естествознания - это история исследования фундаментальных свойств материи на разных уровнях ее организации. В процессе своего развития наука строит и обосновывает системы знаний о строении материи, о пространстве и времени. Кардинальное изменение взглядов на эти свойства лежит в основе всех известных научных революций.

 

Энтропия и информация

 

Следует выделить еще два понятия, которые мы будем использовать в дальнейшем - энтропия и информация.

Исследуя поведение термодинамических систем, немецкий физик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории Р. Клаузиус (1822-1888), для описания протекающих в них процессов ввел специальную функцию, характеризующую состояние системы, и назвал ее энтропией (S) (греч. entropia - поворот, превращение). Она является мерой беспорядка (хаоса) в системе.

Количественная связь между энтропией и беспорядком была установлена австрийским физиком Л. Больцманом (1844-1906):

 

S = k ln W,

 

где ln - натуральный логарифм (логарифм с основанием 2,72), k - постоянная Больцмана, W - вероятность случайного события (статистический вес состояния системы). S и W выступают мерой неупорядоченности системы, неопределенности ее состояния.

Энтропия всегда положительная величина. Иногда используют термин негэнтропия - энтропия, взятая со знаком минус; она отражает степень упорядоченности системы.

Информация в обыденном смысле - это совокупность сведений о чем-либо. Но, как оказалось, информация - это всеобщее свойство материи, заключающееся в способности материальных объектов сохранять следы былых взаимодействий. Информация проявляется через отражение и может быть оценена количественно:

 

I = a ln N,

 

где I - количество информации, а - коэффициент, определяющий единицу ее измерения, N - число вариантов, единственный выбор из которых определяет данная информация.

Информация - это мера упорядоченности системы, это негэнтропия.

 

Структурность и системность

 

К числу фундаментальных свойств материального мира относятся его структурность (лат. structura - строение, расположение, порядок), системность и иерархичность. Структурность мира проявляется в существовании бесконечного множества иерархических взаимосвязанных систем разной природы и разного уровня сложности, начиная от элементарных частиц и заканчивая Вселенной.