Объекты микромира

Вакуум.По представлениям современной науки, вакуум – это отнюдь не пустота или“отсутствие всякого присутствия”. Вакуум представляет собой физический объект, в котором непрерывно происходит рождение и уничтожение виртуальных частиц (материализованныепорции энергии). Вакуум является динамической системой, обладающей какой-то энергией, которая все время перераспределяется между виртуальными (воображаемыми) частицами. Однако воспользоваться энергией вакуума мы не можем, так как это есть наиболее низкоеэнергетическое состояние полей. При наличии внешнего источника энергии можно реализовать возбужденные состояния полей – тогда будут наблюдаться обычные (не виртуальные) частицы.Вакуум способен порождать не только частицы, но и миры. Самопроизвольные флуктуации вакуума рождают вселенные с разным набором фундаментальных постоянных. В одной изтаких областей, видимо, случайно получился набор, годный для появления разумных существ. В ней мы и живем. О других вселенных мы пока ничего не знаем и можем лишьдогадываться об их существовании.

Элементарные частицы. По современным представлениям все элементарные частицыявляются наименьшими “кирпичиками”, из которых создан окружающий мир. Однако это не означает, что их свойства просты. Для описания поведения элементарных частиц используют наиболее сложные физические теории, представляющие синтез теории относительности и квантовой теории.

Все известные элементарные частицы подразделяются на две группы: адроны и лептоны. Предполагается, что адроны имеют составное строение (состоят из истинно элементарных частиц – кварков; в настоящее время насчитывается шесть типов кврков).

Стабильными, то есть живущими в свободном состоянии неограниченно долго, частицами являются протон, электрон, фотон и, по-видимому, нейтрино всех типов. Время жизни протона составляет 10³¹ лет. Самыми короткоживущими образованиями являются резонансы –их время жизни порядка 10^–23с. Короткоживущие элементарные образования могут играть роль при самых экстремальных условиях существования вещества и поля, например: в начальных стадиях эволюции Вселенной, при образовании таких астрофизических объектов, как “черные дыры”, в формировании сердцевины нейтронных звезд.

Объединение релятивистских и квантовых представлений, осуществленное в значительной степени еще в 30-е гг., привело к одному из наиболее выдающихся предсказаний в физике – открытию мира античастиц. Частица и соответствующая ей античастица имеют одинаковые времена жизни, одинаковые массы, их электрические заряды равны, но противоположны по знаку. Самым характерным свойством пары частица – античастица являетсяспособность аннигилировать (самоуничтожаться), превращаясь в частицы другого рода.Античастицы могут собираться в антивещество. Несмотря на микроскопическую симметрию между частицами и античастицами, во Вселенной не обнаружены области со сколько-нибудьзаметным содержанием антивещества. Частицы и их античастицы одинаково взаимодействуютс полем тяготения, что указывает на отсутствие “антигравитации”.

Ядра. Атомные ядра – это связанные системы протонов и нейтронов. Массы ядер всегданесколько меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов, составляющих ядро. Эторелятивистский эффект, определяющий энергию связи ядра. Известны ядра с зарядом, равнымот одного заряда протона до 109, и с числом протонов и нейтронов (то есть нуклонов) от 1 до примерно 260. Особенно устойчивыми ядрами, то есть обладающими наибольшей энергией связи, являются ядра с числами протонов и нейтронов 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Плотность числа частиц в многонуклонных ядрах порядка 10⁴⁴ нуклонов/м³, а плотность массы 10¹⁷ кг/м³. Радиусы ядер изменяются от 2 ∙ 10^–15 м (ядро гелия) до 7 ∙ 10^–15 м (ядро урана). Ядра имеют форму вытянутого или сплюснутого эллипсоида (или еще более сложную).

Ядро как квантовая система может находиться в различных дискретных возбужденных состояниях. В основном состоянии ядра могут быть стабильными (устойчивыми) и нестабильными(радиоактивными). Время, за которое из любого макроскопического количества нестабильных ядер распадается половина, называютпериодом полураспада. Периоды полураспада известных нам элементов изменяются в пределах примерно от 10¹⁸лет до 10^–10с.

Атомы.Состоят из плотного ядра и электронных орбит. Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены роем отрицательно заряженных электронов. В целом атом электронейтрален. Атом есть наименьшая структурная единица химических элементов. Вотличие от “плотной упаковки” ядерных частиц, атомные электроны образуют весьма рыхлые и ажурные оболочки. Существуют жесткие правила “заселенности” электронами орбит вокруг ядра. Электроны, находящиеся на самых верхних этажах “атомного дома”, определяют реакционную способность атомов, то есть их способность вступать в соединения с другими атомами. Здесь мы вступаем в область химии, и условность границ раздела между физикой и химией в данном случае очевидна. У большинства элементов атомы химически нестабильны. Атом стабилен, если его внешняя оболочка заполнена определенным числом электронов (2, 8 и др.). Атомы с незаполненными внешними оболочками вступают в химические реакции, образуя связи с другими атомами.

Молекулы.Не всякие атомы способны соединяться друг с другом. Связь возможна втом случае, если совместная орбита целиком заполнена электронами. Такое образованиеназывают молекулой. Молекула есть наименьшая структурная единица сложного химическогосоединения. Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химическихсоединений, составляет миллионы. Качественно молекула – это определенное вещество,состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного химического взаимодействия объединены в частицы. Поскольку электроны в молекулах обобществлены, атомы теряют свою индивидуальность. При затрате определенной энергии устойчивая молекула может быть разложена на атомы.

Некоторые атомы (например, углерода и водорода) способны образовывать сложные молекулярные цепи, являющиеся основой для образования еще более сложных структур (макромолекул), которые проявляют уже биологические свойства, то есть свойства живого.

В живой природе объектом микромира определяют клетку.

Клетка.За 3 млрд лет существования на нашей планете живое вещество развилось внесколько миллионов видов, но все они – от бактерий до высших животных – состоят из клеток. Клетка – это организованная часть живой материи: она усваивает пищу, способна существоватьи расти, может разделиться на две, каждая из которых содержит генетический материал,идентичный исходной клетке. Клетки служат элементарными структурами на онтогенетическом уровне организации жизни. Клетка состоит из ядра, цитоплазмы и органоидов, выполняющихсвой набор функций; от окружающей среды клетка отделена плазматической мембраной, которая регулирует обмен между внутренней и внешней средой и служит ее границей. В каждой клетке содержится генетический материал в форме ДНК, регулирующей жизнедеятельность и самовоспроизведение. Клетки отличаются друг от друга формой, размерами,которые исчисляются в микрометрах (мкм) – миллионных долях метра – и нанометрах (нм) – миллиардных долях. Например, у соматической животной клетки средних размеров диаметр составляет 10–20 мкм, у растительной – 30–50 мкм; длина хлоропласта цветкового растения – 5–10 мкм, бактерии – 2 мкм. Различают половые клетки, служащие для размножения, и соматические (от греч.soma– тело) клетки, отличающиеся по строению и функциям (нервные, мышечные, костные). Клетки существуют как самостоятельные организмы (простейшие, бактерии) или входят в состав многоклеточных организмов.