Основные пространственно-временные виды симметрий - Симметрия в природе
- 1. Сдвиг начала координат. Эта операция не изменяет физических законов, что связано с физической эквивалентностью всех точек пространства, т. е. с его однородностью. В этом случае говорят о симметрии относительно переносов в пространстве. 2. Поворот системы координат. Эта возможность обусловлена одинаковостью свойств пространства во всех направлениях, т. е. изотропностью пространства, и соответствует симметрии относительно поворотов. 3. Сдвиг начала отсчета во времени, соответствующий симметрии относительно переноса во времени. Этот вид симметрии связан с физической эквивалентностью различных моментов времени и однородностью времени, т. е. равномерным его течением во всех инерциальных системах отсчета.
Смысл эквивалентности различных моментов времени заключается в том, что все физические явления протекают независимо от времени их начала (при прочих равных условиях).
4. Переход от покоящейся системы к системе, движущейся равномерно и прямолинейно. Такие системы эквивалентны, этот вид симметрии называется изотропностью пространства-времени и устанавливается классическим принципом относительности Галилея. Важнейшей особенностью геометрических симметрий является их связь с законами сохранения. Эту связь устанавливает теорема Э. Нетер (1882-1935), которая гласит: если свойства системы не меняются относительно какого-либо преобразования переменных, то этому соответствует некоторый закон сохранения. Другими словами, симметрия в физике определяется следующим образом: если физические законы не меняются при определенных преобразованиях, которым подвергается система (физический объект), то считается, что эти законы обладают симметрией (или инвариантны относительно этих преобразований).
К таким фундаментальным законам природы относятся соответственно:
- 1. Закон сохранения импульса (следствие однородности пространства) системы тел (частиц): в замкнутой системе (т. е. результирующая всех сил равна нулю) сумма импульсов системы остается постоянной. 2. Закон сохранения момента импульса (следствие изотропности пространства) системы тел (частиц): в замкнутой системе сумма моментов импульсов системы остается постоянной (если к телам этой системы не приложены моменты внешних сил). 3. Закон сохранения энергии (следствие однородности времени) суммарная энергия в замкнутой (изолированной) системе не изменяется (остается постоянной).
В 1918 г. Амалия Эмми Нетер установила связь между симметриями и законами сохранения.
4. Закон сохранения скорости центра масс (следствие изотропности пространства-времени).
Теорема Нетер: каждому виду симметрии должен соответствовать определенный закон сохранения:
- - следствием однородности пространства является закон сохранения импульса - следствием изотропности пространства является законсохранения момента импульса - следствием однородности времени является закон сохранения энергии.
Законы сохранения:- это физические законы, согласно которым числовые значения некоторых физических величин, характеризующих состояние системы, в определенных процессах не изменяются эти законы играют роль принципа запрета: любой процесс, при котором нарушается хотя бы один из законов сохранения, невозможен.
Связь с законами сохранения обнаруживают не только геометрические, но и динамические симметрии. В частности, симметрия относительно калибровочных преобразований приводит к закону сохранения электрического заряда (разрешено только парное рождение и гибель заряженных частиц).
Современное естествознание пришло к еще одному важному открытию, связанному с симметрией и касающемуся отличия живого от неживого: "живые" молекулы, т. е. молекулы органических веществ, составляющих живые организмы, отличаются от "неживых" зеркальной симметрией. Неживые молекулы могут быть как зеркально симметричны (как, например, правая и левая перчатка), так и зеркально асимметричны. Асимметричные молекулы, отклоняющие луч света вправо или влево, в химии называют стереомерами (энантиомерами), само же свойство зеркальной асимметрии носит название хиральности или киральности (от греч. cheir - рука). Неживые хиральные молекулы встречаются в природе как в "левом", так и в "правом" варианте, т. е. они хирально нечистые. "Живые" же молекулы могут быть только одной ориентации - "левой" или "правой", т. е. молекулы живых организмов хирально чисты
С помощью экспериментов было доказано, что подобное разделение возникает при нелинейной динамике протекания химических автокаталитических реакций. Такой переход от симметричных молекул неживого к асимметричным молекулам живой природы вполне реально мог происходить при определенных условиях на стадии химической (предбиологической) эволюции материи. Следовательно, спонтанное, возможно скачкообразное, нарушение зеркальной симметрии в результате реакций автокаталитического типа может рассматриваться как одно из необходимых условий перехода от неживого к живому В этом процессе, конечно, еще очень много неясного. Например, неясно, почему белковые полимерные цепи содержат только "левую симметрию", а спираль молекулы ДНК закручена вправо; что могло привести к такой закономерности в асимметрии живого.
Таким образом, наука обнаружила фундаментальную связь между симметрией и сохраняющимися, инвариантными величинами. Симметрия - это то, что не меняется в ходе эволюции системы. Наличие инвариантов означает принцип сохранения, а сохраняется то, чему запрещено меняться. В настоящее время законы сохранения все чаще называют принципами запрета. Согласно этим принципам, безграничное познание невозможно, они задают правила, которые накладываются на случайный выбор. Так, к примеру, запрещено одновременное точное измерение двух дополнительных величин, существует запрет на превышение скорости света, запрещены вечные двигатели и т. д. Принципы запрета говорят о том, что во Вселенной могут существовать только структуры, построенные по определенным правилам и никакие другие. Попытки что-либо "навязать" системе обречены на провал. Практика показала, что подобные попытки "перестроить" или "создать заново" в экономических, социальных, экологических системах редко приводят к положительным результатам. Инварианты образуют каркас, с одной стороны, достаточно жесткий, чтобы не позволить системе перейти к хаосу, а с другой, достаточно гибкий, чтобы обеспечить разнообразие в ней. Инварианты обеспечивают естественный отбор в ходе эволюции системы любой природы. Принципы запрета или законы сохранения помогают отобрать из множества вариантов развития - реальные. Любой процесс самоорганизации способен реализовать лишь те потенциальные возможности, которыми располагает природа.
Таким образом, идея о существовании вечного начала, возникшая в древности, обрела фундамент в понятии симметрии. Вместо стихий - воды, земли, огня и воздуха - физика предлагает инварианты, которыми обладает материя: энергию, импульс, момент импульса, заряд и т. д. Симметрия отвечает за аспект сохранения системы. Знание типов симметрий, которыми обладает система, позволяет делать прогноз ее развития. В этом развитиинеобходимо достижение равновесия свободы и порядка. Одна из составляющих, ответственная за наличие порядка, - это набор инвариантов. Принципы отбора или правила запрета действуют и в живой и в неживой природе, а знание инвариантов служит основой для правильного диалога с природой, для грамотного управления экономикой, государством, для построения искусственных объектов и т. д. Таким образом, выявление различных типов симметрии в природе, постулирование их стало одним из методов теоретического исследования свойств микро-, макро - и мегамира. В качестве наиболее адекватного и точного языка для описания симметрии при этом используется весьма сложный и абстрактный математический аппарат - теория групп, любой физический процесс протекает одинаковым образом, независимо от того, когда он начался, т. е. позволяет сравнивать результаты аналогичных опытов, проведенных в разное время возможность выбора любого момента времени за начальный. Двойственность свойств вышеуказанных симметрий связана с тем, что их можно рассматривать с двух точек зрения - как изменения положения самой системы (в пространстве и времени) и как изменения положения наблюдателя (и связанной с ним системы отсчета)
Похожие статьи
-
ОСНОВНЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ВИДЫ СИММЕТРИЙ - Основы учения о симметрии
1. Сдвиг начала координат. Эта операция не изменяет физических законов, что связано с физической эквивалентностью всех точек пространства, т. е. с его...
-
Заключение - Симметрия в природе
С симметрией мы встречаемся везде в природе, технике, искусстве, науке. Понятие симметрии проходит через всю многовековую историю человеческого...
-
Значение симметрии в познании природы - Симметрия в природе
Идея симметрии часто являлась отправным пунктом в гипотезах и теориях ученых прошлого. Вносимая симметрией упорядоченность проявляется, прежде всего, в...
-
ЗНАЧЕНИЕ СИММЕТРИИ В ПОЗНАНИИ ПРИРОДЫ - Основы учения о симметрии
Идея симметрии часто являлась отправным пунктом в гипотезах и теориях ученых прошлого. Вносимая симметрией упорядоченность проявляется, прежде всего, в...
-
История возникновения учения о симметрии - Симметрия в природе
Симметрия является фундаментальным свойством природы, представление о котором, как отмечал академик В. И. Вернадский, "слагалось в течение десятков,...
-
Введение - Симметрия в природе
Под симметрией (от греч. symmetria -- соразмерность) в широком смысле понимают правильность в строении тела и фигуры. Учение о симметрии представляет...
-
Примеры симметрии в природе - Симметрия в природе
Симметрия веками оставалась тем свойством, которое занимало умы философов, астрономов, математиков, художников, архитекторов и физиков. Древние греки...
-
ПРИМЕРЫ СИММЕТРИИ В ПРИРОДЕ - Основы учения о симметрии
Симметрия веками оставалась тем свойством, которое занимало умы философов, астрономов, математиков, художников, архитекторов и физиков. Древние греки...
-
ЗАКЛЮЧЕНИЕ - Основы учения о симметрии
С симметрией мы встречаемся везде в природе, технике, искусстве, науке. Понятие симметрии проходит через всю многовековую историю человеческого...
-
Человек - существо симметричное - Симметрия в природе
Не станем пока разбираться, существует ли на самом деле абсолютно симметричный человек. У каждого, разумеется, обнаружится родинка, прядь волос или...
-
Синергетика хакен неустойчивость диссипативный Бельгийский физик и физикохимик российского происхождения. Лауреат Нобелевской премии по химии 1977 года,...
-
Научное познание: структура и методы - Естествознание - единая наука о природе
Структура научного познания Понятие метода и методологии (и границы научного метода) Классификация методов научного познания Главное назначение научной...
-
ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ УЧЕНИЯ О СИММЕТРИИ - Основы учения о симметрии
Симметрия является фундаментальным свойством природы, представление о котором, как отмечал академик В. И. Вернадский, "слагалось в течение десятков,...
-
ВВЕДЕНИЕ - Основы учения о симметрии
Под симметрией (от греч. symmetria -- соразмерность) в широком смысле понимают правильность в строении тела и фигуры. Учение о симметрии представляет...
-
Основные положения концепции о ноосфере - Концепция ноосферы и ее научный статус
Еще в 1920 - 1930 гг. В. И. Вернадский, размышляя о геологической роли человека, вооруженного научной мыслью (разумом), пришел к выводу, что...
-
Альтруизм в отношении со своими соплеменниками - Естествознание - единая наука о природе
Слияние отдельных групп в более крупные объединения для выполнения ряда важнейших функций: охрана, охота, земледелие, то есть формирования общественных...
-
Энергия - Естествознание - единая наука о природе
Земля планета солнечной энергии. "Живая сила" Лейбница. Основы термодинамики. Энтропия. Демон Максвела. На нашей планете основным источником энергии...
-
Говоря о состоянии цивилизации, необходимо различать понятия "кризис", "катастрофа" и "коллапс". Кризис означает переломный момент, решительный исход, т....
-
Анамнез жизни - Основные методы обследования больного при различных заболеваниях
Сведения о жизни больного часто имеют большое значение для выяснения характера настоящего заболевания и установления причин и условий его возникновения....
-
При расспросе очень важно выяснить, как давно появилось заболевание, какие жалобы отмечались вначале, как они изменились с течением времени,...
-
Аускультация - Основные методы обследования больного при различных заболеваниях
Аускультация (от лат. auscultatio -- выслушивание) -- метод исследования внутренних органов, основанный на выслушивании звуковых явлений, связанных с их...
-
Главный комплекс гистосовместимости - Главный комплекс гистосовместимости и его основные функции
Главный комплекс гистосовместимости - это группа генов и кодируемых ими антигенов клеточной поверхности, которые играют важнейшую роль в распознавании...
-
Фибринолиз., Литература - Понятие клеточного цикла и общая характеристика его основных периодов
Образующийся в результате свертывания крови фибриновый тромб растворяется благодаря действию плазмина -- сериновой протеиназы плазмы крови. В плазме...
-
Наиболее важной буферной системой плазмы является бикарбонатный буфер, состоящий из слабой угольной кислоты (рК1 6,1) и ее кислого аниона бикарбоната....
-
Немецкий физик-теоретик, один из основателей синергетики, правнучатый племянник Карла Маркса. Изучал физику и математику в ун-тах Галле (1946--1948) и...
-
Сущность живого, его основные признаки - Развитие понятия "жизнь"
Понятие жизнь совпадает с предметом биологии как целостной научной системы (био-логия - наука о живом). Многие ученые склоняются к мысли о том, что...
-
Основные стадии в патогенезе СПИДа - Характеристика иммунной системы
1) инкубационный период или первичная латентная стадия (серонегативная) 2) стадия выраженной вирусной репродукции и первичного иммунного ответа...
-
Основные свойства фитоценозов В данном разделе рассматриваются только естественные фитоценозы и при этом коренные, или климаксовые (объяснение этого...
-
Большое значение в формировании эволюционных взглядов Дарвина сыграли его собственные открытия, сделанные им во время путешествия на корабле "Бигль"....
-
Все сферы обществ. жизни влияют на мировую политику, глобальные процессы. Формируется глобальное политическое пространство как сфера протекания...
-
В гносеологическом плане глобальные проблемы рассматриваются как теоретическое определение задач, вытекающих из фиксируемых назревших противоречий...
-
Определение здоровья. Основные методы его изучения - Роль медицины в обеспечении здоровья
Здоровье - это такое состояние, которое обеспечивает оптимальное взаимоотношение организма с окружающей средой и способствует активизации всех видов...
-
Естествознание на современном этапе - Естествознание - единая наука о природе
(современное естествознание) Современная наука ведет свой отчет с 10-20-х гг. ХХ в. Для нее характерна ассоциация математических, гуманитарных и...
-
Естествознание - единая наука о природе - Естествознание - единая наука о природе
Понятие естествознания и определение науки. Цели и задачи естествознания Природа как объект познания Понятие естествознания и определение науки Решая...
-
- Механизм Происхождения И Характеристика Кашля; - Сухой Кашель И С Отделением Мокроты; - Характеристика Мокроты, Ее Происхождение ; - Диагностическое...
-
Целостный охват явлений природы, материального Космоса (научно понимаемое всеединство) он сочетал с естественноисторическим подходом со стремлением...
-
Вирусы как независимые генетические системы Какое место занимают вирусы в биологическом мире? Каково их происхождение и кто их ближайшие родственники?...
-
Вирус белок генетический фаг Основные проблемы и явления Бактериофаги являются паразитами представителей почти всех групп прокариотических организмов от...
-
Осмотр шеи и кожи, Осмотр тела - Основные методы обследования больного при различных заболеваниях
Недостаточность клапанов аорты сопровождается видимой на глаз пульсацией сонных артерий ("пляской каротид"), которая сопровождается одновременным с...
-
Почвенная среда - Основные среды жизни и их характеристики
Почва - это рыхлый поверхностный слой земной коры, который образовался в процессе выветривания, деятельности живых организмов, разложения органических...
Основные пространственно-временные виды симметрий - Симметрия в природе