Вселенная состоит из материи и излучений.
Химика прежде всего интересует материя, но он должен также изучать и излучения — свет, рентгеновские лучи, радиоволны — в их взаимодействии с веществами. Так, химика может интересовать цвет веществ, который обусловлен поглощением ими света.
Материю составляют все материалы, окружающие нас, — газы, жидкости, твердые тела. По существу, это утверждение не является определением. Согласно словарю, материя — это «то, из чего состоит физический объект; материал». А затем словарь определяет материал и физический объект как материю и, таким образом, возвращается к исходному утверждению. Самый лучший путь, который можно избрать,— это сказать, что никто в действительности не знает, какое определение дать материи, но при этом авторы согласны начать пользоваться данным термином. В науке часто необходимо начинать с не вполне определенных терминов*.
Масса и вес
Материя имеет массу. Химиков интересует, каковы массы материалов, поскольку они хотят знать, сколько материала им необходимо затратить для получения определенного количества продукта.
Масса объекта — это физическая величина, определяющая сопротивление объекта изменению его состояния покоя или движения.
Масса объекта определяет также его вес. Вес объекта является мерой силы, с которой данный объект притягивается Землей. Эта сила зависит от массы объекта, массы Земли и положения объекта на земной поверхности, особенно от расстояния данного объекта до центра Земли. Поскольку Земля немного сплюснута в направлении оси, соединяющей полюса, расстояние от земной поверхности у Северного и Южного полюсов до центра Земли меньше, чем соответствующее расстояние у экватора. Как следствие этого, вес объекта, измеренный на пружинных весах, определяющих силу притяжения, оказывается больше на Северном или Южном полюсе, чем на экваторе. Так, если вес человека, измеренный пружинными весами, на экваторе равен 68,0 кг, то при измерении на тех же весах на Северном полюсе он будет равен примерно 68,4 кг, т. е. почти на 400 г больше. Масса человека, однако, остается одной и той же.
Масса любого объекта остается одинаковой как на Северном полюсе, так и на экваторе, и ее легко можно определить в любом месте земной поверхности путем сравнения со стандартным набором масс. Для этого в случае небольших объектов пользуются химическими весами. Поскольку два тела равной массы обладают и одинаковым весом в одном и том же месте земной поверхности, эти тела будут уравновешивать друг друга, если их поместить на две чашки весов с коромыслами равной длины.
В обычной практике принято говорить о массах объектов как о их весах. Можно предположить, что при таком использовании слова «вес», как в смысле массы объекта, так и в смысле силы, с которой данный объект притягивается Землей, будут возникать недоразумения. Как правило, этого не происходит, но если появляется опасность возникновения путаницы, то следует пользоваться словом «масса».
Стандартные массы (стандартные веса) в метрической системе устанавливают (калибруют) путем сравнения со стандартным килограммом, хранящимся в Париже (см. приложение I)**. В системе СИ за единицу массы принят килограмм. Грамм принято обозначать «г», килограмм — «кг» (1 кг=1000 г).
* Материя (от латинского слова materia—вещество) — «...философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них.» (Ленин В. И., Полн. собр. соч., 5-е изд., т. 18, с. 131).
Материя — это бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения. Материя включает не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые в принципе могут быть познаны в будущем на основе совершенствования средств наблюдения и эксперимента. Весь окружающий нас мир представляет собой движущуюся материю в ее бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми ее свойствами, связями и отношениями. Современной науке известны следующие типы материальных систем и соответствующие им структурные уровни материи: элементарные частицы и поля (электромагнитное, гравитационное и др.), атомы, молекулы, макроскопические тела различных размеров, геологические системы, Земля и другие планеты, звезды, внутригалактические системы, Галактика, системы галактик, метагалактика, границы и структура которой пока еще не установлены. Современные границы познания структуры материи простираются от 10-16 до 1028 м, но и внутри этого диапазона может существовать множество еще неизвестных видов материи. — Прим. перев.
** Существует много систем мер и весов, которые применяют в различных странах. Во избежание недоразумений все ученые в своих научных трудах пользуются метрической системой или расширенным и исправленным вариантом метрической системы, называемым Международной системой [IS или, иногда, SI (СИ) от французского Sisteme International], которая описана в приложении I. Как правило, при изложении материала в данной книге будет использована система СИ, однако отдельные упражнения или примеры могут быть даны и в американской системе единиц.