Материальность Вселенной

Химический состав Метагалактики: 77,4% водорода; 20,8% гелия; 1,8% других элементов (кислород - 0,85%; углерод - 0,38%; неон - 0,15%; железо - 0,14%; азот - 0,093% и т.д.). Более подробные в таблице.

   Химическая эволюция Метагалактики неразрывно связана с эволюцией космических объектов и протекает в направлении уменьшения концентрации легких химических элементов (водорода и гелия) с одновременным увеличением среднего содержания тяжелых химических элементов (звезды I поколения, образовавшиеся 12-11 миллиардов лет назад содержали 0,1 %; звезды II поколения, образовавшиеся 6 - 5 миллиардов лет назад - 2-3%; формирующиеся сейчас звезды Ш поколения содержат 3-4% тяжелых элементов).

Вселенная материальна. Термин "материя" означает все, что реально существует в окружающем мире. "Материя - это объективная реальность, данная нам в ощущении" (В.И. Ленин). Материальны электромагнитные, гравитационные и другие физические поля, элементарные частицы, атомы, молекулы, любые вещества и макроскопические тела, живые существа и космические объекты. Материя несотворима и неуничтожима: она всегда была, есть и будет. Видимое исчезновение материи всегда означает лишь ее переход в качественно иное состояние. Материя постоянно изменяется, эволюционирует, переходит в качественно иные, более высокие и сложные формы.

    Материя находится в непрерывном движении. Основные свойства и признаки движения материи:

• Движение – способ (форма) существования материи: любые изменения, происходящие с материей. "Движение, рассматриваемое в самом широком смысле слова, … обнимает собой все происходящие во вселенной изменения и процессы, начиная с простейшего перемещения и заканчивая мышлением" (Ф. Энгельс). Под движением материи следует понимать не только механическое перемещение материальных объектов в пространстве, но и любые происходящие в них и с ними процессы: физические, химические, биологические, социальные...
• Движение неразрывно связано с материей. Нет, и не может быть движения без материи, как нет, и не может быть материи без движения.
• Каждому виду материи присущи специфические формы и виды движения.
• Все виды движения взаимосвязаны, взаимообусловлены друг другом.
• Все виды движения взаимно превращаются друг в друга. 
• Обобщенный закон сохранения движения , обусловливающий существование всех 10 законов сохранения физики: при всех превращениях одного вида движения в другой в количественном отношении движение остается неизменным. Движение вечно, оно не возникает из ничего и не исчезает бесследно.
• Движение материи происходит в пространстве и во времени. Материя, пространство и время неразрывно связаны между собой и оказывают взаимное влияние друг на друга.

Пространство выражает последовательную смену явлений и состояний материальных объектов, продолжительность их существования. Обладает свойствами: выражает порядок сосуществования отдельных объектов. Выделяемая часть пространства ограничивает, а иногда и образует отдельные объекты природы. Пространство Вселенной обладает свойствами:

• непрерывности (при D r >10^-33 м);
• трехмерности в декартовой системе координат;
• изотропности  : любые направления эквивалентны, равноправны; физические законы инвариантны относительно выбора направлений осей координат системы отсчета; следствие – закон сохранения момента импульса;
• однородности (симметрии): все его места эквивалентны, физически одинаковы: при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и законы движения не изменяются; следствие – закон сохранения импульса.

  Время - выражает последовательную смену явлений и состояний материальных объектов, продолжительность их существования. Обладает свойствами:

• непрерывности (при D t >10^-41 с);
• одномерности;
• однородности (инвариантности физических законов относительно выбора начала отсчета времени), следствие – закон сохранения энергии;
• анизотропности (направленности хода из прошлого в будущее);
• необратимости; следствие – необратимость тепловых процессов, закон возрастания энтропии.

Принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени: смещение во времени и пространстве не влияет на протекание физических процессов. Главными взаимосвязанными характеристиками материальных объектов являются: энергия - общая количественная мера различных форм движения материи, описывающая состояние объектов и их способность к взаимодействию между собой; и масса - мера гравитационных и инертных свойств и полной энергии объектов.

Закон сохранения материи - один из фундаментальных законов Вселенной: общее количество материи во Вселенной никогда не изменяется: материя не исчезает бесследно и не появляется из "ниоткуда", а лишь переходит из одного состояния в другое.

Виды фундаментальных физических взаимодействий:

1. Гравитационное взаимодействие - дальнодействующее пропорционально массам объектов системы и характеризуемое участием гравитационного поля. Сила его определяется законом Всемирного тяготения; интенсивность определяется безразмерной постоянной гравитационного взаимодействия a _g.

, где m - характеристическая масса. При m = m_p a _g » 10^-38.

2. Электромагнитное взаимодействие - дальнодействующее, характеризуемое участием электромагнитного поля, излучаемом, поглощаемом или переносящем взаимодействие между телами. Отвечает за взаимодействие заряженных частиц. Интенсивность определяется безразмерной постоянной:

3. Сильное взаимодействие - короткодействующее на расстояниях около 10^-15 м. Проявляет себя в ядерных реакциях и взаимодействии элементарных частиц (систем кварков, из которых состоят частицы). Интенсивность определяется постоянной a _s. При m = m_p a _s » 1.

4. Слабое взаимодействие - короткодействующее на расстояниях около 10^-18 м. Проявляет себя в ядерных реакциях и взаимодействии элементарных частиц. Интенсивность определяется постоянной a _w » 10^-5, определяемым соотношением: , где g_F = 10^-49 эрг× см³ - постоянная Ферми; m = m_p.

Выделяют три взаимосвязанные формы существования материи: вещество, поле и физический вакуум.

Вещество - вид материи, обладающей массой покоя и дискретной структурой, образуемой взаимодействующими системами элементарных частиц.

Физические поля не обладают массой покоя и имеют непрерывную структуру.

физический вакуум в настоящее время представляет собой материю (невозбужденное (основное) состояние фундаментальных силовых полей) в самом низком энергетическом состоянии. Термин "вакуум" - синоним пустоты, однако космическое пространство, даже в отдалении от любых космических объектов, - не пусто. Эта среда состоит из множества взаимодействующих между собой виртуальных ("вероятных") частиц, время существования которых много меньше времени, необходимого для их регистрации. Виртуальный электрон "живет" менее 10^-21 с, виртуальный протон - 10^-24 с, а затем распадаются, превращаясь в столь же короткоживущие частицы. Существование виртуальных частиц подтверждают многочисленные косвенные данные об их взаимодействии с "реальными" частицами и явление поляризации вакуума.

При взаимодействии между собой отдельные виртуальные частицы могут приобрести энергию, во много раз увеличивающую время их существования. Для внешнего наблюдателя это событие выглядит как появление "ниоткуда", из пустоты, пары частица - античастица.

Плотность потенциальной энергии физического вакуума составляет около10⁹¹ Дж/см³. Предполагается, что когда-то в нашей части Вселенной "энергетическая плотность" вакуума была несравнимо выше современной. Колебания энергетической плотности "ложного вакуума" могли порождать объекты с невероятно высокой массой, сопровождавшиеся соответствующим чудовищным выделением энергии вакуума.

В настоящее время единая теория происхождения и развития Метагалактики и Вселенной еще не создана. Физики и астрономы совместно разрабатывают квантовую теорию гравитации и теорию физического вакуума, изучают происхождение фундаментальных постоянных, природу и размерность физического пространства и времени. Физика элементарных частиц и космология тесно взаимосвязаны между собой. Создание общей физической теории и теории возникновения и развития Метагалактики - два разных аспекта одной проблемы.