1. Поняття симетрії
2. Калібрувальні симетрії
3.Сімметрія простору - часу і закони збереження
4.Сімметрія і асиметрія живого
5.Порушення симетрії як джерело самоорганізації
6. Асиметрія і життя
Список використаної літератури
Одним з важливих відкриттів сучасного природознавства є той факт, що все різноманіття навколишнього нас фізичного світу пов'язано з тим чи іншим порушенням певних видів симетрій. Щоб це твердження стало більш зрозумілим, розглянемо докладніше поняття симетрії. «Симетричне позначає щось, що володіє хорошим співвідношенням пропорцій, а симетрія - той вид узгодженості окремих частин, який об'єднує їх в ціле. Краса тісно пов'язана з симетрією », - писав Г. Вейль у своїй книзі« Етюди про симетрії ». [1] Він посилається при цьому не тільки на просторові співвідношення, тобто геометричну симетрію. Різновидом симетрії він вважає гармонію в музиці, яка вказує на акустичні додатки симетрії.
Дзеркальна симетрія в геометрії належить до операцій відображення або обертання. Вона досить широко зустрічається в природі. Найбільшою симетрією в природі мають кристали (наприклад, симетрія сніжинок, природних кристалів), проте не у всіх з них спостерігається дзеркальна симетрія. Відомі так звані оптично активні кристали, які повертають площину поляризації падаючого на них світла. У загальному випадку симетрія виражає ступінь впорядкованості будь-якої системи або об'єкта. Наприклад, коло більш впорядкований і, отже, симетричний, ніж квадрат. У свою чергу, квадрат більш симетричний, ніж прямокутник. Іншими словами, симетрія - це незмінність (інваріантність) будь-яких властивостей і характеристик об'єкта по відношенню до будь-яких перетворень (операцій) над ним. Наприклад, окружність симетрична щодо будь-якої прямої (осі симетрії), що лежить в її площині і проходить через центр, вона симетрична і щодо центру. Операціями симетрії в даному випадку будуть дзеркальне відображення відносно осі і обертання щодо центру кола.
У широкому сенсі симетрія - це поняття, яке відображає існуючий в об'єктивної дійсності порядок, визначений рівноважний стан, відносну стійкість, пропорційність і співмірність між частинами цілого. Протилежним поняттям є поняття асиметрії, яке відображає існуюче в об'єктивному світі порушення порядку, рівноваги, відносній стійкості, пропорційності і пропорційності між окремими частинами цілого, пов'язане зі зміною, розвитком і організаційної перебудовою. Вже звідси випливає, що асиметрія може розглядатися як джерело розвитку, еволюції, освіти нового. Симетрія може бути не тільки геометричної. Розрізняють геометричну і динамічну форми симетрії (і, відповідно, асиметрії). До геометричній формі симетрії (зовнішні симетрії) відносяться властивості простору - часу, такі як однорідність простору і часу, ізотропних простору, еквівалентність інерційних систем відліку і т.д.
До динамічної формі відносяться симетрії. виражають властивості фізичних взаємодій, наприклад, симетрії електричного заряду, симетрії спина і т.п. (Внутрішні симетрії). Сучасна фізика, однак, розкриває можливість зведення всіх симетрій до геометричних симетрія.
Важливим поняттям в сучасній фізиці є поняття калібрувальної симетрії. Калібрувальні симетрії пов'язані з инвариантностью щодо масштабних перетворень. Сам термін «калібрування» відбувається з жаргону залізничників, де він означає перехід з вузької колії на широку. Калібруючи, таким чином, спочатку розумілося саме зміна рівня або масштабу. Так в СТО фізичні закони не змінюються щодо перенесення (зсуву) системи координат. Траєкторії руху залишаються прямолінійними, просторовий зсув залишається однаковим у всіх точок простору. Таким чином, тут працюють глобальні калібрувальні перетворення.
Форми симетрії є одночасно і формами асиметрії. Так геометричні асиметрії висловлюють неоднорідність простору - часу, анизотропность простору і т.д. Динамічні асиметрії проявляються у відмінностях між протонами і нейтронами в електромагнітних взаємодіях, відмінність між частинками і античастинками (по електричному, баріонів заряд) і т.д. [3].
3. Симетрія простору - часу і закони збереження
Однією з найважливіших особливостей геометричних симетрій є їх зв'язок з законами збереження. Значення законів збереження (закони збереження імпульсу, енергії, заряду і ін.) Для науки важко переоцінити. Справа в тому, що поняття симетрії може бути застосовано до будь-якого об'єкту, в тому числі і до фізичного закону.
Згадаймо, що згідно з принципом відносності Ейнштейна, все фізичні закони мають однаковий вигляд в будь-яких інерційних системах відліку. Це означає, що вони симетричні (інваріантні) відносно переходу від однієї інерціальної системи до іншої.
Теорема Нетер. Найбільш загальний підхід до взаємозв'язку симетрій і законів збереження міститься в знаменитій теоремі Е. Нетер. У 1918 р працюючи в складі групи з проблем теорії відносності, довела теорему, спрощена формулювання якої говорить: якщо властивості системи не змінюються щодо будь-якого перетворення змінних, то цьому відповідає певний закон збереження.
Розглянемо переходи від однієї інерціальної системи до іншої. Оскільки є різні способи таких переходів, то, отже, є різні види симетрії, кожному з яких, відповідно до теореми Нетер, повинен відповідати закон збереження.
Перехід від однієї інерціальної системи (ІСО) до іншої можна здійснювати наступними перетвореннями:
1. Зрушення початку координат. Це пов'язано з фізичної еквівалентність всіх точок простору, тобто з його однорідністю. У цьому випадку говорять про симетрії щодо переносів в просторі.
2. Поворот трійки осей координат. Ця можливість обумовлена подібністю властивостей простору в усіх напрямках, тобто ізотропності простору і відповідає симетрії щодо поворотів.
3. Зрушення початку відліку по часу, відповідний симетрії щодо перенесення за часом. Цей вид симетрії пов'язаний з фізичної еквівалентність різних моментів часу і однорідністю часу, тобто його рівномірним плином у всіх інерційних системах -отсчета. Сенс еквівалентності різних моментів часу полягає в тому, що всі фізичні явища протікають незалежно від часу їх початку (за інших рівних умов).
4. Рівномірний прямолінійний рух початку відліку зі швидкістю V, тобто перехід від спочиває системи до системи, що рухається рівномірно і прямолінійно.
Це можливо, тому що такі системи еквівалентні. Таку симетрію умовно називають ізотропності простору-часу. Перехід же здійснюється за допомогою перетворень Галілея або перетворень Лоренца. (Важливо зазначити, що фізичні закони не є симетричними відносно обертових систем відліку. Обертання замкнутої системи відліку можна виявити за дією відцентрових сил, зміни площині хитання маятника і ін. Крім того, фізичні закони не є симетричними і щодо масштабних перетворень систем - т.зв. . перетворень подібності. Тому закони макросвіту не можна автоматично переносити на мікросвіт і мегамир.)
Описані вище 4 види симетрії є універсальними. Це означає, що всі закони природи щодо них інваріантні з великим ступенем точності, а відповідні їм закони є фундаментальними. До цих законів відносяться відповідно:
1. Закон збереження імпульсу як наслідок однорідності простору.
2. Закон збереження моменту імпульсу як наслідок ізотропності простору.
3. Закон збереження енергії як наслідок однорідності часу.
4. Закон збереження швидкості центру мас (наслідок ізотропності
Як вже було сказано раніше, описані види симетрій відносяться до геометричних. Зв'язок з законами збереження виявляють і динамічні симетрії. З динамічними симетрії пов'язаний закон збереження електричного заряду (при перетворенні елементарних частинок сума електричних зарядів частинок залишається незмінною), закон збереження лептонного заряду (при перетворенні елементарних частинок сума різниця числа пептонов і антілептонов не змінюється) і т.д.
Так закон збереження електричного заряду випливає з електромагнітної калібрувальної симетрії. Її суть полягає в тому, що при масштабних перетвореннях силові характеристики електромагнітного поля (напруженість електричного поля і індукція магнітного поля B залишаються незмінними. З цього закону випливає, зокрема, стійкість електрона - найдрібнішої фундаментальної зарядженої частинки, здатної існувати у вільному стані.
При розгляді дії тих чи інших фундаментальних законів не слід забувати, що кожним видом симетрії відповідає своя асиметрія.
4. Симетрія і асиметрія живого
Дрібні організми, зважені у воді, мають майже кулясту форму. У організмів, що живуть в морських глибинах і схильних до високого тиску води, вже інша симетрія: у них обертальна здатність звелася до окремих поворотам навколо деякої осі. Філогенетична еволюція прагнула викликати спадкове відмінність між правим і лівим, однак її дія стримувалося тими перевагами, яке тварина извлекало з дзеркально-симетричного розташування своїх органів. Цим, мабуть, можна пояснити, чому наші кінцівки більш підкоряються симетрії, ніж наші внутрішні органи. Так, розташування серця і закручування кишечника людини майже завжди лівосторонній.
Сучасне природознавство прийшло ще до одного важливого відкриття, пов'язаного з симетрією і що стосується відмінності живого від неживого. Справа в тому, що «живі» молекули, тобто молекули органічних речовин, що складають живі організми і отримані в ході життєдіяльності, відрізняються від «неживих», тобто отриманих штучно, відрізняються дзеркальною симетрією. Неживі молекули можуть бути як дзеркально симетричні, так і дзеркально асиметричні, як, наприклад, ліва і права рукавичка. Це властивості дзеркальної асиметрії молекул називається кірального, або хиральностью. Неживі Кіральние морекули зустрічаються в природі як у «лівому» так і в «правом» варіанті, тобто вони кірально нечисті. «Живі» молекули можуть бути тільки однією орієнтації - «лівої» або «правої», тобто тут говорять про киральной чистоті живого. Наприклад, молекула ДНК, як відомо, має вигляд спіралі, і ця спіраль завжди права. У глюкози, що утворюється в організмі - правообертальна форма, у фруктози - лівообертальна.
Отже, найважливіша здатність живих організмів - створювати кірально чисті молекули. За сучасними уявленнями саме кірального молекул визначає біохімічну кордон між живим і неживим.
5. Порушення симетрії як джерело самоорганізації
Взаємозв'язок симетрії і асиметрії розглядається сучасною наукою в різних аспектах, що охоплюють саморозвиток матерії на всіх її структурних рівнях. Так сучасне синергетичне бачення еволюції Всесвіту засноване на ідеї про т.зв. спонтанному порушенні симетрії вихідного вакууму. Під вихідним вакуумом розуміють стан матерії до Великого Вибуху, коли вся матерія була представлена фізичним вакуумом. В даний час вважається, що справжній фізичний вакуум - це стан матерії з найменшою енергією. Ідея спонтанного порушення симетрії вихідного вакууму означає відхід від загальноприйнятого уявлення про вакуумі як про стан, в якому значення енергії всіх фізичних полів дорівнює нулю. Тут визнається можливість існування станів з найменшою енергією при відмінному від нуля значення деяких фізичних полів і виникає уявлення про існування вакуумних конденсатів - станів з відмінним від нуля середнім значенням енергії. Спонтанне порушення симетрії означає, що при певних макроусловіях фундаментальні симетрії виявляються в стані нестійкості, а платою за стійкий стан є асиметричність вакууму. (Для такого вакууму введено термін «помилковий вакуум»).
В якості одного з найбільш ймовірних сценаріїв еволюції Всесвіту, розглянутий нами раніше, включає інфляційну стадію (роздування) від «помилкового вакууму» - вакууму, що володіє величезною енергією. Такий вакуум володіє прагнення до гравітаційного відштовхування, що забезпечує його розширення.
«Помилковий» вакуум являє собою симетричне, але енергетично невигідне, а отже, нестабільний стан. У світлі інфляційної теорії еволюція Всесвіту постає як синергетичний самоорганізується процес. Якщо вважати Всесвіт замкнута система, то процеси самоорганізації можуть бути розглянуті як взаємодія двох відкритих підсистем - фізичного вакууму і всіляких мікрочастинок і квантів полів. Відповідно до цієї теорії в процесі розширення з «суперсиметричних» стану Всесвіт розігрілася до температури, відповідної Великому Вибуху. Подальше її розвиток у міру падіння температури пролягала через критичні точки біфуркації (розгалуження), в яких відбувалися спонтанні порушення симетрій вихідного вакууму. Схематично цей процес представляється в наступному, спрощеному вигляді:
1-я біфуркація: порушення симетрії (тотожності) між бозонами і фермионами призвело до поділу матерії на речовину і поле;
2-я біфуркація: порушення тотожності між кварками і лептонами; симетрія Всесвіту порушується до симетрії, що відповідає сильних взаємодій і симетрії, що відповідає електрослабкої взаємодії; порушується також симетрія між речовиною і антиречовиною: частинок речовини народжується більше, і вся наша Всесвіт виявляється побудованої з речовини;
3-тя біфуркація: спонтанне порушення симетрії електрослабкої взаємодії, що виявляється нами як різниці між електромагнітним і слабким взаємодією.
4-я біфуркація: виникають протони і нейтрони.
Подальша еволюція Всесвіту приводить до виникнення водню, гелію, іонізованого газу, зірок, галактик і т.д.
Спонтанне порушення симетрії вакууму виражається в тому, що він віддає енергію на народження мікрооб'єктів, на придбання їх мас і зарядів, внаслідок чого щільність енергії вакууму зменшується.
Важливим тут є і те, що хід цієї еволюції, вибір шляху розвитку в моменти біфуркації виявився саме таким, що в результаті з'явилася саме така Всесвіт, яку ми спостерігаємо, тобто Всесвіт, в якій опинилася можливим життя нашого типу і поява самого спостерігача (т.зв. антропний принцип).
6. Асиметрія і життя
Асиметрія і життя. Відкриття киральной чистоти молекул біогенного походження проливає нове світло на виникнення життя на Землі, яке могло бути викликано спонтанним порушенням існуючої до того дзеркальної симетрії. Факторами виникнення асиметрії могли бути радіація, температура, тиск, вплив електромагнітних полів і ін. Можливо, що життя на Землі зародилося в вигляді структур, схожих з генами сучасних організмів. Це міг бути акт самоорганізації матерії в вигляді стрибка, а не поступової еволюції. У зв'язку з цим говорять про Великому Біологічному Вибуху.
Дослідження показують, що в ході розвитку життя асиметрія все більше і більше витісняє симетрію з біологічних і хімічних процесів. Зовні симетричні півкулі головного мозку розрізняються за своїми функціями. Явно асиметричним ознакою є поділ підлог - досить «пізніше придбання» еволюції, причому кожен підлогу вносить в процес відтворення свою генетичну інформацію. Симетрія і асиметрія живого виявляються і в найважливіших чинниках еволюції. Так в стійкості видів (спадковість) проявляється симетрія, а в їх мінливості - асиметрія.
Список використаної літератури