Философы полагают, что факты рождают идеи, 

и в некотором смысле это верно. Но я нахожу 

в истории естествознания следующее: для того, чтобы 

понимать факты, необходимо иметь в голове 

определенные идеи, и что глазами можно не увидеть 

того, что увидит разум. 

Ю. фон Либих

Лекция 2. Концепция дискретности и континуальности в описания природы. Структурные уровни организации материи. Роль фундаментальных мировых констант

Концепция дискретности и континуальности в описании природы.

Еще в античные времена были сформулированы две «взаимно исключающие» (на самом деле природа устроена сложнее, чем мы привыкли считать и об этом мы скажем в конце лекции) друг друга гипотезы о внутреннем строении тел. Согласно первой, вещество непрерывно состоит из одного или нескольких «первичных» элементов. Вторая гипотеза утверждала, что все вещества состоят из неделимых далее частиц – атомов.

Это расхождение имело принципиальное значение и для теории познания, и для науки в целом. Если материя непрерывна, то задачи исследования существенно сужаются (делить что-либо на элементарные части не нужно, все равно получим то же вещество с теми же свойствами). Если же верна вторая гипотеза, то задачей исследователей является изучение свойств этих атомов и ответ на вопрос: как они скрепляются при образовании различных веществ? Попутно возникает еще одна проблема. Если мы начнем делить вещество на части, то до какого момента оно сохраняет свои свойства? Если обратить эту задачу, то фактически это означает решение проблемы: сколько надо взять атомов (или молекул) вещества, чтобы оно проявляло известные нам свойства. Эта проблема в каком-то смысле аналогична древней философской проблеме «кучи» (зерно и зерно – два зерна, еще одно зерно – три зерна..., а когда куча?).

Продлившись более 2500 лет, спор между гипотезами окончательно разрешился только в начале XX века признанием атомистической концепции, подтвержденной после открытия в 1896 г. В. Рентгеном его лучей. С их помощью уже в нашем веке М. Лауэ, а также отцом и сыном У.Л. Брэггом и У.Г. Брэггом была открыта дифракция на атомно-кристаллической структуре.

Сейчас, когда мы со школьной скамьи знаем и про атомы, и молекулы, и много чего другого про них, сама проблема атомизма может показаться очень уж тривиальной. На самом деле она глубже, чем обычно о ней говорят на популярном уровне, и сводится не только, и даже не столько к атомизму, сколько к проблеме дискретного описания материи, а значит, ее свойств. Да и вряд ли плеяда высоких умов, начиная с античности, занималась столь тривиальной проблемой? 

Приведем краткую историческую справку. Атомистами были Анаксагор, Левкипп, Демокрит, Эпикур. Им противостояли Сократ, Платон, Аристотель. В средние века под влиянием фактически канонизированного учения Аристотеля термин «атом» исчезает из употребления. В новое время впервые корпускулярную теорию строения материи развил Р. Бойль, введя понятие «химического элемента как простого тела, не состоящего из других».

Далее свой вклад внесли А. Лавуазье, Д. Дальтон, А. Авогадро.

На великой гипотезе А. Авогадро мы сейчас и остановимся. Дело в том, что в 1808 г. Ж. Гей-Люссак нашел закон простых объемных отношений. Например, два литра водорода и один литр кислорода дают два литра водяных паров. Этот факт (2 + 1 = 2?) не находил объяснения в атомистической теории, предложенной в 1803 г. Д. Дальтоном. Для спасения атомистической теории А. Авогадро в 1811 г. выдвинул гипотезу, разрешившую это противоречие. Для этого ему потребовалось ввести новое понятие – молекулы как соединения атомов (обратите внимание, все это было высказано в то время, когда гипотезой являлось еще само существование атомов!). Далее он предположил, что число этих новых «сущностей» – молекул всегда одно и то же в одинаковых объемах любых газов и всегда пропорционально объему. Отсюда он сделал вывод (закон Авогадро): при одинаковых давлении и температуре равные объемы любых газов содержат одно и то же число структурных элементов (это либо атомы, если газ одноатомный, либо молекулы, если газ многоатомный), и это число Авогадро NА = 6,0227 1023 моль–1 (в дальнейшем нам существенен именно порядок этой величины, а не ее размерность – моль–1).

Гипотеза А. Авогадро закрепила в науке представление о дискретном строении вещества, хотя официальное признание самой гипотезы пришло только на I Международном конгрессе химиков в 1860 г. спустя четыре года после смерти автора, а само NА было вычислено впервые Й. Лошмидтом в 1865 г. Важно также, что еще в XIX в. возникает новое понятие – количество вещества, и уже в XX веке становится ясным, что число Авогадро является, по существу, достаточным условием макросостояния. Необходимого условия в общем случае не существует. Для каких-то объектов это может быть миллион структурных элементов, а для других может и всего 1000, но мы определенно знаем, чего бы мы не взяли в количестве NА, это всегда макрообъект (т.е. «куча»).

Подводя итог, имеет смысл привести высказывание Нобелевского лауреата Р. Фейнмана, считавшего, что атомистическая гипотеза – это именно то, что следует взять с собой, если в будущем человечеству предстоит забыть все остальные знания.

Структурные уровни организации материи. Роль фундаментальных мировых констант.

Наши современные знания дают следующее представление об иерархической структуре материи. В микромире из кварков «состоят» протоны и нейтроны, которые в свою очередь формируют ядра атомов. Атомы (состоят из ядра и электронов) могут комбинироваться в молекулы. Из этих материалов состоят привычные нам макроскопические тела. Если двигаться вверх по шкале масштабов, то мы должны выделить мегамир: планеты и их системы, звездные скопления, затем галактики, которые в свою очередь объединяются в скопления и сверхгалактики. Микро-, макро- и мегаразмеры объектов относятся друг к другу примерно так: макро/микро  мега/макро.

В рамках нашего курса мы должны охарактеризовать не только каждый из этих иерархических уровней, но и также посредством чего осуществляется такая иерархия. Что является своеобразным «клеем», делающим возможным существование этих уровней? Оказывается, что важнейшими характеристиками такого «клеящего вещества» выступают определенные константы, часто их называют фундаментальными мировыми константами. Как мы увидим, этих фундаментальных констант в физике, химии и биологии не так уж и много. В настоящее время нам понятно, что сравнительно небольшое их изменение должно привести к формированию качественно иного мира, в котором, в частности, стало бы невозможным образование ныне существующих микро-, макро- и мегаструктур, а следовательно, и высокоорганизованных форм живой материи. Проблема фундаментальных констант приобретает, таким образом, в концептуальном плане глобальное мировоззренческое значение.

Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро Граф Куаренья и Черетто (Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quaregna e Cerreto) родился 9 августа 1776 года в Турине, столице Сардинского королевства.

8 мая 1794 (19 флореаля II года республики) Антуан Лоран Лавуазье был гильотинирован по решению революционного трибунала. Историк науки В. Штрубе отмечает, что в обвинении ученому чувствуется надуманность и демагогичность. Жена Лавуазье жаловалась, что учёные, которые должны были бы выступить в защиту Лавуазье, ничего не сделали для его спасения. Лагранж, Жозеф Луи: Всего мгновение потребовалось им, чтобы срубить эту голову, но может и за сто лет Франция не сможет произвести ещё такую.

Имя А. Лавуазье внесено в список величайших учёных Франции, помещённый на первом этаже Эйфелевой башни.

N.B. Уточнение для физиков. «Квантованное волновое поле – фундаментальная физическая концепция, в рамках которой формулируется динамика частиц и их взаимодействия. Она позволяет описывать различные состояния системы многих частиц единым физическим объектом в обычном пространстве-времени – квантованным полем. Квантованное поле возникает путем квантования классического поля, в результате которого полевая функция приобретает операторный характер и выражается через операторы рождения и уничтожения частиц. Тем самым, появляется возможность описывать важнейшие свойства мира элементарных частиц – процессы их взаимного превращения [6].