Концепции современного естествознания часть II человек и вселенная
|
Скачать 1.95 Mb.
|
|
6.2. Симметрия и законы сохранения Более глубокое понимание и применение симметрии связано с изучением и обоснованием законов сохранения, отражающих фундаментальные свойства пространства-времени. Напомним, что симметрия относительно произвольного сдвига во времени приводит к закону сохранения энергии для консервативных (замкнутых) систем (6.1)  . (6.1)Неизменность характеристик физической системы при произвольном перемещении ее как целого в пространстве на произвольный вектор приводит к закону сохранения импульса  (6.2) . (6.2)И наконец, симметрия относительно произвольных пространственных поворотов (изотропность пространства) связана с законом сохранения момента импульса (6.3)  (6.3)Общие законы природы, характеризующие движение материи, связаны с симметрией пространства и времени. Время само по себе не способно изменить энергию системы. Закон сохранения энергии есть следствие однородности времени; закон сохранения импульса следствие однородности пространства. Так как категория симметрии относится к любому объекту, то она в полной мере применима к физическому закону. Цель физических законов – вычисление идентичного в явлениях. Для инерциальных систем, согласно принципу относительности Галилея, физические законы во всех системах одинаковы. Следовательно, они инвариантны относительно описания явлений как в одной инерциальной системе, так и в другой и тем самым сохраняют симметрию. В 1918 г. доказаны теоремы Э. Нетер, смысл одной из которых состоит в том, что различным видам симметрии физических законов соответствуют определенные законы сохранения. Эта связь является всеобщей. Ее можно считать наиболее полным отображением понятия сохранения субстанций и законов в природе. Как сказал Р. Фейнман, «среди мудрейших и удивительных вещей в физике эта связь – одна из самых красивых и удивительных». Различие видов симметрии связано с разными способами пространственно-временного преобразования одной инерциальной системы в другую инерциальную систему. Остановимся на этом несколько подробнее. Каждому пространственно-временному преобразованию соответствует определенный вид симметрии. Перенос начала координат в произвольную точку пространства при неизменности физических свойств или их проявлении связан с симметрией таких преобразований (это как раз и есть трансляционная симметрия). Это означает физическую эквивалентность всех точек пространства, т. е его однородность. Поворот координатных осей в пространстве связан с физической эквивалентностью различных направлений в пространстве и означает изотропность пространства. Симметрия относительно переноса во времени связана с физической эквивалентностью различных моментов времени, что должно также отражать идею независимости хода времени от его начала (время протекает одинаково). Поэтому однородность времени проявляется в его равномерном течении, а относительная скорость всех процессов, протекающих в природе, одинакова. Факт равномерности течения времени установлен экспериментально с точностью до 10-14 с за период ~ 10 миллионов лет; например, спектральный состав излучения звезд, испущенного миллионы лет назад и воспринимаемого нами только сейчас, имеет одинаковый спектральный состав таких же атомов на Земле. В классической релятивистской механике симметрия выражается в принципе относительности. Равномерное и прямолинейное движение материальной точки в инерциальной системе отсчета с произвольной скоростью, но меньшей, чем скорость света, связана с симметрией и физической эквивалентностью такого движения и покоя (неразличимость параметров движения объекта в движущемся равномерно и прямолинейно поезде и поезде, стоящем неподвижно на путях). При скоростях V <<� с используется принцип относительности и преобразования Галилея, при V ≈ с (релятивистские скорости) – принцип относительности Эйнштейна и преобразования Лоренца. Такого рода симметрию (неразличимость покоя и равномерно-прямолинейного движения) можно условно определить как изотропию пространства-времени. Эти виды симметрии объединяются в СТО в единую симметрию четырехмерного пространства–времени. 6.3. Виды симметрии Симметрия в физике. Рассмотрим закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма зарядов любой электрически изолированной системы сохраняется во времени:  или  , (6.4)где в (6.4)  – плотность тока,  – объемная плотность заряда.Физический смысл уравнения (6.4) состоит в том, что  – расходимость тока (его движение) связана с изменением во времени, т. е. перемещением электрического заряда. Математический смысл закона сохранения заключен в уравнении непрерывности. Электрический ток – направленное движение свободных заряженных частиц в электрическом поле. Физический смысл закона сохранения заряда отражает факт несотворимости и неуничтожимости электрического заряда.Нужно подчеркнуть, что сохранение электрического заряда в изолированных (замкнутых) системах не сводится к сохранению числа заряженных частиц. Так при β распаде нейтрона, не имеющего заряда, возникают протон (с зарядом +е), электрон (заряд -е) и антинейтрино, также не имеющее заряда. В этой реакции появились две электрически заряженные частицы, но их суммарный заряд равен нулю, как и у породившего их нейтрона. Важным следствием закона сохранения заряда является устойчивость электрона. Электрон самая легкая электрически заряженная частица. Поэтому ему не на что распадаться, так как в этом случае нарушился бы закон сохранения электрического заряда. По современным представлениям, время жизни электрона не менее 1019 лет, что подчеркивает этот закон. Другой дискретной симметрией является симметрия относительного обращения времени, приводящая к тому, что в симметричной Вселенной законы природы не изменяются при замене направления течения времени на обратное (t тождественно равно –t и наоборот). Применение данной симметрии показывает, что направление возрастания времени (движение в одну сторону) не играет существенной роли. С равной вероятностью возможен и обратный процесс. Установить наблюдением происходит ли развития событий в будущее или в прошлое, для равновесной симметричной системы – невозможно. К такому же результату приводит и детерминированная механика Галилея – Ньютона в замкнутых системах. Но одновременно мы уже знаем о существовании «стрелы времени» для открытых неравновесных систем. Это еще раз показывает, что время «течет» от прошлого к будущему и наша Вселенная неравновесна и асимметрична. Дальнейшее расширение количества физических симметрий связано с развитием квантовой механики. Одним из специальных видов симметрии в микромире является перестановочная симметрия. Она основана на принципиальной неразличимости одинаковых микрочастиц, которые движутся не по определенным траекториям, а их положения оцениваются по вероятностным характеристикам, связанным с квадратом модуля волновой функции. Перестановочная симметрия заключается в том, что при «перестановке» квантовых частиц не изменяются вероятностные характеристики, квадрат модуля волновой функции – величина постоянная  .Исследование реакций с участием элементарных частиц и античастиц, а также процессов их распада привело к открытию некоторых новых свойств симметрии, а именно зарядовой симметрии или, более точно, зарядовой симметрии частиц и античастиц. При изучении ядерных взаимодействий нуклонов (сильные взаимодействия) обнаружено, что эти ядерные силы слабо зависят от типа нуклонов, т.е. при этих взаимодействиях нет различия между нейтроном и протоном. Они являются состоянием одной частицы – нуклона. Аналогично μ мезон может находиться в трех состояниях, соответствующих трем различным частицам, которые принято называть изотопическими, ибо они характеризуются изотопическим спином, или изоспином. Симметрия, связанная с этими процессами, получила название изотопической симметрии. С теорией элементарных частиц, типами взаимодействия полей и попыткой построения теории единого поля, связаны еще да вида симметрии: кварк-лептонная и калибровочная. Кварк-лептонная симметрия проявляется в единой теории поля. Считается, что по существу кварки и лептоны неразличимы в областях очень больших энергий. Но в случае спонтанного нарушения симметрии и в области низких энергий они приобретают совершенно различные свойства. Тем самым установлено, что между кварками и лептонами возможны переходы. Этот факт может служить еще одним убедительным доказательством единства природы. Калибровочная симметрия связана с масштабными преобразованиями, представляющими сдвиги нулевых уровней скалярного и векторного потенциалов полей. Термин «калибровочное поле» (преобразование, инвариантность) выдвинул немецкий математик Г. Вейль (1885–1955). Смысл идеи состоит в том, что физические законы не должны зависеть от масштаба длины, выбранного в пространстве, и не должны изменять свой вид при замене этого масштаба на любой другой. Формулировка Г. Вейля звучит так: все физические законы инвариантны относительно произвольных (однородных и неоднородных) локальных преобразований. В таком виде принцип Вейля является, по существу, развитием общего принципа относительности Эйнштейна, что все физические законы в любой системе отсчета (инерциальной и неинерциальной) должны иметь одинаковый вид. На основе калибровочной симметрии построены теории электрослабого и электросильного взаимодействий. Рассмотренные типы симметрий имеют определенные границы применимости. Например, симметрия правого и левого существует только в области сильных электромагнитных взаимодействий, но нарушается при слабых. Изотопическая инвариантность справедлива только при учете электромагнитных сил. Для применения понятия симметрии в физике можно ввести некую структуру, учитывающую четыре фактора: • Объект или явление, которое исследуется. • Преобразование, по отношению к которому рассматривается симметрия. • Инвариантность каких-либо свойств объекта или явления, выражающая рассматриваемую симметрию. Связь симметрии физических законов с законами сохранения. • Границы применимости различных видов симметрии. Изучение свойств симметрии физических систем или законов требует привлечения специального математического анализа, в первую очередь представлений теории групп, наиболее развитой в настоящее время в физике твердого тела и кристаллографии. В целом из законов сохранения, которые являются следствием пространственно-временной симметрии законов самой природы, следует условность разделения физики на механику, термодинамику, электродинамику и т. д. Налицо неразрывность единства всей природы. 6.4. Симметрия в биологии. Мир биологического многообразия представляет собой удивительный факт природы. Безусловно, в этом мире должны иметь место более многообразные симметрии. Самой распространенной из них является билатеральная симметрия, выражающая соразмерность левой и правой частей тела. Замечательным фактом природы является замыкание билатеральной симметрии на асимметрию направления “вперед-назад”, выражающую собой устремленность к движению и включающую в себя элементы эстетики, а, следовательно, и симметрии. Известно, что в мире минералов запрещена пятерная симметрия, как несовместимая с трансляционной. Вместе с тем, такая симметрия является характерной для цветов (груша, яблоня, земляника и др.), некоторых обитателей моря (звезды, морские ежи и др.) и части вирусов. Пентагональная симметрия тесно связана с пропорцией золотого сечения, т. к.  . Эта симметрия выражает индивидуальность живого, его строение отличается от мира косной материи.Неожиданным выражением симметрии выступает филлотаксис – ботаническое явление, заключающееся в том, что винтовое расположение листьев стебельных растений подчинено строгой закономерности. В ботанике принято характеризовать винтовое расположение листьев на стебле с помощью дроби, числитель которой отражает число оборотов в цикле, а знаменатель – число листьев в этом цикле. Так расположение листьев у злаковых отображается дробью 1/2, такое же у березы; 1/3 у осоки, тюльпана, ольхи; 2/5 у груши, смородины, сливы; 3/3 у капусты, редьки, льна; 5/13 у ели, жасмина и т. д. Любопытно, что числа, отображающие указанные соотношения принадлежат к семейству чисел Фибоначчи, образуемому по правилу:  ;  ; .Интересно, что  . Отдельные симметрии в биологии отображаются рядами чисел Э. Люка: g0 = 2, g1 = 1, gк + gк+1 = gк+2. И в этом случае  .Явление филлотаксиса рассматривается как одна из интереснейших загадок природы. Интересным предметом симметрии является симметрия логарифмической спирали, она встречается как в мире живого, так и в мире неживого. Что скрыто за этой общностью Ответить на этот вопрос непросто. Рассмотрим идеи симметрии–асимметрии применительно к проблемам объектов живой и неживой природы. Если рассмотреть пример зеркального изображения двух молекул неорганического вещества воды и органического, но «неживого» вещества – бутилового спирта (рис. 6.1), то принципиальное различие проявляется в том, что молекула Н2O зеркально симметрична, а молекула спирта зеркально асимметрична. «Левая» и «правая» молекулы не совпадают, как левая и правая руки человека.
Асимметричные молекулы в химии называют стереоизомерами, а само свойство зеркальной асимметрии носит название киральности или хиральности (от греческого слова «кир» – рука). Выяснилось, что в природе хиральностью обладают и «живые», и «неживые» молекулы, но «живые» всегда только хиральны, причем «неживые» хиральные молекулы равновероятно встречаются в левом и в правом варианте, а «живые» – только в левом, или в правом. В этом смысле молекулы живых организмов хирально чисты. Так, ориентация ДНК-спирали всегда правая. В свое время Л. Пастер, а затем и В. И. Вернадский предлагали на этом принципиальном различии провести раздел между живой и неживой природой. Предполагают, что основополагающим признаком возникновения и развития жизни и является способность живых организмов извлекать и конструировать из симметричных и хирально нечистых молекул окружающей среды хирально чистые молекулы, необходимые для живого организма. Примером могут служить извлечение растениями из симметричных молекул воды и углекислого газа в процессе фотосинтеза асимметричных молекул крахмала и сахара. Наряду с другими питательными веществами эти молекулы поступают в пищу живых организмов, и из них образуются уже хирально чистые молекулы. Если хиральность молекул веществ пищи изменится на противоположную, то эти вещества окажутся для живого организма биологическим ядом, они отторгаются организмом, ведут его к гибели. Это достаточно характерный пример того, как из физических представлений симметрии можно объяснить происхождение живой материи и даже дать рекомендации практической медицине. В общем смысле можно считать, что возникновение жизни в целом связано со спонтанным нарушением имевшейся до того в природе зеркальной симметрии. Предполагают, что возникаемая асимметрия произошла скачком в результате Большого Биологического Взрыва по аналогии с БВ, в результате которого образовалась Вселенная, под действием радиации, температуры, полей и т. д. и нашла свое отражение в генах живых организмов. Этот процесс по существу является процессом самоорганизации. В какой-то точке бифуркации произошел и самоорганизующий акт возникновения разума уже живой материи. |
Похожие:
 |
Карпенков С. Х. К26 Концепции современного естествознания: Учебник для вузов К26 Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: Академический Проект, 2000. Изд. 2-е, испр и доп. – 639 с |
 |
Учебно-методический комплекс дисциплины «Концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Список литературы из фондов научной библиотеки рггу по состоянию на март 2008 Гуго (1877-1946). Доисторический человек : с 39 табл., 4 к и 404 рис в тексте / Обермайер Гуго. Спб. [Тип. Ао брокгауз-Ефрон], [1913].... |
|
Методика № дифференциально диагностический опросник (ддо; Е. А. Климов) Шкалы Шкалы: типы профессий человек-человек, человек-техника, человек-знаковая система, человек-художественный образ, человек-природа Назначение... |
|
Тематическое планирование уроков химии 8класс Химия как часть естествознания. Химия-наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях |
|
Григорий Чхартишвили Предисловие Часть первая. Человек и самоубийство... Эдипов комплекс в истории суицидентов X. и Г. Опыт патологоанатомического психоанализа |
|
Кокин А. В. Концепции соврем естествознания: уч пособие / А. В. Кокин Дубнищева Т. Я., А. Ю. Современное естествознание: уч пособие / Т. Я. Дубнищева, А. Ю. Пигарев. – 2–е изд. – М.: Ивц «Маркетинг»»,... |
|
Программы В программе: Формы и приемы обучения современного урока по физической культуре. Календарно-тематическое планирование современного... |
|
Техническое задание 643. 05246295. 00059-01 тз 01 Концепции развития телемедицинских технологий в Российской Федерации, утверждённой приказом Минздрава РФ и рамн от 27. 08. 2001 г.... |
|
Общие методологические основы организации образования : вопросы системного... Учет материалов концепции развития техносферы дополнительного образования детей на среднесрочную перспективу, рекомендаций межрегиональных... |
|
Задание Определение маркетинговой концепции организаций ... |
|
Неповторимый Чеснок (часть 1) Ваша маленькая команда добавлена в командный режим выживания (обычный), случайно сгенерированное число участников: 6 человек] |
|
Информация о нарушениях, выявленных Государственной инспекцией труда... Года составила 695,4 тысяч человек (уменьшилась по сравнению с 2010 годом на 2,8 тысяч человек). Численность населения трудоспособного... |
|
В. М. Жуков Глава Механизмы в популяционной генетике Вселенная – это цепь или лестница, спускающаяся от подножья божественного трона на небе до ничтожнейшего творения на земле |
|
Которая в последнее время становится очень актуальной в нашем обществе.... Сегодня компьютеры стремительно внедрились в жизнь современного человека. Уже стало привычным видеть, что человек взаимодействует... |
|
Вводная часть Человек в процессе жизнедеятельности непрерывно взаимодействует со средой обитания, со всем многообразием факторов, многие из которых... |