Principii de simetrie 2

1. Conceptul de simetrie

2. Simetriile ecartamentului

3. Simetria legilor spațiului-timp și a conservării

4. Simetria și asimetria celor vii

5. Încălcarea simetriei ca sursă de auto-organizare







6. Asimetria și viața

Lista literaturii utilizate

Una dintre descoperirile importante ale științei naturale moderne este faptul că întreaga diversitate a lumii fizice care ne înconjoară este asociată cu această încălcare a anumitor tipuri de simetrii. Pentru a face această afirmație mai ușor de înțeles, să luăm în considerare conceptul de simetrie în detaliu. "Simetricul se referă la ceva care are o bună proporție de proporții, iar simetria este acea consistență a părților individuale care îi unește într-un întreg. Frumusețea este strâns legată de simetrie ", a scris H. Weil în cartea sa" Studii de simetrie ". [1] El se referă aici nu numai la relațiile spațiale, adică geometrie simetrie. Un fel de simetrie, el consideră armonia în muzică, indicând aplicațiile acustice ale simetriei.

Oglinda simetrie în geometrie se referă la operațiunile de reflexie sau de rotație. Este destul de răspândită în natură. Cristalele au cea mai mare simetrie în natură (de exemplu, simetria fulgilor de zăpadă, cristalele naturale), dar nu toate au o simetrie oglindă. Sunt cunoscute așa-numitele cristale optic active care rotesc planul de polarizare a luminii care se află pe ele. În cazul general, simetria exprimă gradul de ordonare a oricărui sistem sau obiect. De exemplu, cercul este mai ordonat și, în consecință, simetric decât pătratul. La rândul său, pătratul este mai simetric decât dreptunghiul. Cu alte cuvinte, simetria este invarianța (invarianța) oricăror proprietăți și caracteristici ale unui obiect cu privire la orice transformări (operații) asupra acestuia. De exemplu, cercul este simetric față de orice linie (axa simetriei) situată în planul său și care trece prin centru, este simetrică și relativă față de centru. Operațiile de simetrie sunt în acest caz oglindă reflectorizantă față de axă și rotație față de centrul cercului.

Într-un sens larg, simetria este un concept care reflectă ordinea existentă în realitatea obiectivă, o anumită stare de echilibru, stabilitatea relativă, proporționalitatea și proporționalitatea între părți ale întregului. Conceptul opus este acela de asimetrie, care reflectă esența lumii obiective în încălcarea ordinului, echilibrul, stabilitatea relativă a proporționalității și proporționalitatea între părțile individuale ale unui întreg, ca urmare a schimbării, dezvoltarea și restructurarea organizațională. Din aceasta rezultă că asimetria poate fi considerată o sursă de dezvoltare, evoluție și formare a unei noi. Simetria nu poate fi doar geometrică. Distingem formele geometrice și dinamice de simetrie (și, prin urmare, asimetrie). Pentru a forma o simetrie geometrică (simetrie externă) includ proprietățile spațiu - timp, cum ar fi uniformitatea spațiului și timpului, izotropia spațiului, echivalența sistemelor de referință inerțiale etc.

Simetria se referă la forma dinamică. exprimând proprietățile interacțiunilor fizice, de exemplu, simetria încărcăturii electrice, simetria rotației și așa mai departe. (simetrie internă). Fizica moderna, cu toate acestea, releva posibilitatea de a reduce toate simetriile la simetrii geometrice.

Un concept important în fizica modernă este noțiunea de simetrie a ecartamentului. Simetria gaugelor este asociată cu invarianța la transformările scării. Termenul de "calibrare" provine de la jargonul lucrătorilor feroviari, unde înseamnă trecerea de la ecartament îngust la ecartament larg. Prin urmare, calibrarea a fost inițial înțeleasă ca fiind o modificare a nivelului sau a scării. Deci, în SRT, legile fizice nu se schimbă în ceea ce privește schimbarea (schimbarea) sistemului de coordonate. Traiectoriile mișcării rămân rectilinii, schimbarea spațială rămâne aceeași pentru toate punctele din spațiu. Astfel, transformările globale de calibrare funcționează aici.

Formele de simetrie sunt simultan forme de asimetrie. Atât asimetriile geometrice exprimă neomogenitatea spațiului-timp, anisotropia spațiului etc. Asimetriile dinamice se manifestă prin diferențele dintre protoni și neutroni în interacțiunile electromagnetice, diferența dintre particule și antiparticule (peste sarcini electrice, baryonice etc.). [3].

3. Simetria legilor spațiului-timp și a conservării

Una dintre cele mai importante caracteristici ale simetriilor geometrice este legătura lor cu legile de conservare. Importanța legilor de conservare (legile conservării impulsului, energiei, încărcăturii etc.) pentru știință nu poate fi supraestimată. Ideea este că conceptul de simetrie este aplicabil oricărui obiect, inclusiv legii fizice.

Reamintim că, potrivit principiului relativității lui Einstein, toate legile fizice au aceeași formă în orice cadru de referință inerțial. Aceasta înseamnă că ele sunt simetrice (invariante) în ceea ce privește trecerea de la un sistem inerțial la altul.

Teorema lui Noether. Abordarea generală a relației dintre simetrii și legile de conservare este cuprinsă în celebra teorema a lui E. Noether. În 1918, lucrând în grupul de probleme privind teoria relativității, ea a dovedit o teoremă a cărei formula simplificată spune: dacă proprietățile sistemului nu se schimbă în ceea ce privește transformarea variabilelor, atunci aceasta corespunde unei anumite legi de conservare.

Luați în considerare tranzițiile de la un sistem inerțial la altul. Deoarece există modalități diferite de astfel de tranziții, atunci, în consecință, există diferite tipuri de simetrie, fiecare dintre acestea, conform teoremei lui Noether, trebuie să corespundă legii conservării.

Trecerea de la un sistem inerțial (ISO) la altul poate fi efectuată prin următoarele transformări:

1. Schimbați originea coordonatelor. Aceasta se datorează echivalenței fizice a tuturor punctelor din spațiu, adică cu omogenitatea sa. În acest caz, se vorbește de simetrie cu privire la transferurile în spațiu.

2. Rotiți triplele axe de coordonate. Această posibilitate se datorează asemănării proprietăților spațiului în toate direcțiile, adică izotropia spațiului și corespunde simetriei în ceea ce privește rotațiile.

3. Schimbarea originii referinței în funcție de timp, corespunzătoare simetriei în raport cu transferul de timp. Acest tip de simetrie este asociat cu echivalența fizică a diferitelor momente de timp și a omogenității timpului, adică fluxul său uniform în toate sistemele inerțiale - calculul. Semnificația echivalenței diferitelor momente de timp este că toate fenomenele fizice apar indiferent de momentul debutului lor (cu alte lucruri fiind egale).







4. Mișcarea uniformă rectilinie a originii cu viteza V, adică trecerea de la un sistem de odihnă la un sistem care se deplasează uniform și rectiliniu.

Acest lucru este posibil, deoarece astfel de sisteme sunt echivalente. O astfel de simetrie este denumită condițional izotropia spațiului-timp. Tranziția se realizează prin transformări Galileo sau transformări Lorentz. (Este important de remarcat că legile fizice nu sunt simetrice în raport cu sistemul de referință prin rotație de rotație închis cadru de referință poate fi detectată prin acțiunea forțelor centrifuge, pendulul leagăn schimbări plane etc. În plus, legile fizice nu sunt simetrice și relativ sisteme de transformare la scară largă - .. TN Astfel, legile macrocosmosului nu pot fi transferate automat către microcosmos și megalore.)

Cele patru tipuri de simetrie descrise mai sus sunt universale. Aceasta înseamnă că toate legile naturii relative la ele sunt invariabile cu un grad înalt de precizie, iar legile corespunzătoare sunt fundamentale. Aceste legi sunt:

1. Legea conservării impulsului ca o consecință a omogenității spațiului.

2. Legea conservării momentului unghiular ca o consecință a izotropiei spațiului.

3. Legea conservării energiei ca o consecință a uniformității timpului.

4. Legea conservării vitezei centrului de masă (consecința izotropiei

După cum sa spus înainte, tipurile de simetrii descrise sunt geometrice. Legătura cu legile de conservare este de asemenea dezvăluită de simetrii dinamice. Asociat cu legea dinamică de conservare simetrie a sarcinii electrice (valoarea de conversie a particulelor sarcină electrică a particulelor rămâne neschimbat), legea de conservare a leptoni (cantitatea de conversie a particulelor elementare și diferența în numărul de peptone antileptons nu se schimba), etc.

Astfel, legea conservării încărcării electrice rezultă din simetria electromagnetică a ecartamentului. Esența ei constă în faptul că caracteristicile transformărilor la scară de forță ale câmpului electromagnetic (intensitatea câmpului electric și câmpul magnetic B rămâne neschimbat din implică această lege, în special, stabilitatea electronului -. Cele mai mici particule fundamentale încărcate pot exista în stare liberă.

Când se analizează funcționarea anumitor legi fundamentale, nu trebuie să uităm că fiecare tip de simetrie are propria asimetrie.

4. Simetria și asimetria celor vii

Organismele mici suspendate în apă au o formă aproape sferică. În organismele care trăiesc în adâncimi marine și supuse unei presiuni ridicate a apei, există deja o simetrie diferită: capacitatea lor de rotație a fost redusă la o singură rotire în jurul unei axe. Evoluția filogenetică a căutat să evocată o distincție ereditară între dreapta și stânga, dar acțiunea ei a fost restrânsă de avantajele pe care animalul le-a obținut prin aranjarea simetrică a organelor sale. Acest lucru, se pare, poate explica de ce membrele noastre sunt mai simetrice decât organele noastre interne. Deci, locația inimii și răsucirea intestinului uman este aproape întotdeauna la stânga.

Științele naturale moderne au ajuns la o altă descoperire importantă referitoare la simetrie și la diferența dintre cei vii și cei nevrednici. Faptul este că moleculele "vii", adică moleculele de substanțe organice care alcătuiesc organisme vii și care sunt obținute pe parcursul vieții, diferă de "neînsuflețit", adică obținute artificial, diferă simetria de oglindă. Moleculele non-vii pot fi atât oglindă-simetrice, cât și asimetrice asemănătoare oglinzii, cum ar fi o mănușă din stânga și din dreapta. Aceste proprietăți ale asimetriei oglinzilor a moleculelor se numesc chiralitate sau chiralitate. Natura necorespunzătoare a fisurilor chirale se găsește în natură atât în ​​versiunile "stânga", cât și în cele "drepte", adică ei sunt chirally necurat. Modulele "vii" pot fi doar o orientare - "stânga" sau "dreapta", adică aici vorbesc despre puritatea chirală a celor vii. De exemplu, este cunoscut faptul că o moleculă de ADN are forma unei spirale, iar această spirală este întotdeauna corectă. În glucoză, formată în corp - formă dextrootatorie, în fructoză - levorotatorie.

În consecință, cea mai importantă capacitate a organismelor vii este de a crea molecule pur pure. Conform conceptelor moderne, chirala moleculelor determină limita biochimică dintre cei vii și cei nevrednici.

5. Simetria de rupere ca o sursă de auto-organizare

Relația dintre simetrie și asimetrie este considerată de știința modernă în diverse aspecte, acoperind dezvoltarea de sine a materiei la toate nivelurile sale structurale. Deci, viziunea sinergetică modernă a evoluției universului se bazează pe ideea așa-numitei. spargerea spontană a simetriei vidului inițial. Sub vidul inițial înțelegem starea materiei înainte de Big Bang, când toată materia era reprezentată de un vid fizic. În prezent, se crede că adevăratul vid fizic este starea materiei cu cea mai mică energie. Ideea unei rupturi spontane a simetriei vidului inițial înseamnă o deviere de la conceptul general acceptat al unui vid ca o stare în care valoarea energiei tuturor câmpurilor fizice este zero. Aici recunoaștem posibilitatea existenței statelor cu cea mai mică energie la o valoare nenuloasă a anumitor câmpuri fizice și a apărut ideea existenței condensatelor de vid - stări cu energie medie nonzero. Spargerea simetriei spontane înseamnă că, în anumite condiții macro, simetrii fundamentale se dovedesc a fi într-o stare instabilă, iar plata pentru o stare stabilă este asimetria vidului. (Pentru un astfel de vid, se introduce termenul "vacuum fals").

Fiind unul dintre cele mai probabile scenarii ale evoluției universului, considerat de noi mai devreme, include și etapa inflației (inflația) din "vidul fals" - un vid care are o energie extraordinară. Un astfel de vid are dorința de repulsie gravitațională, care asigură extinderea acestuia.

Un vid "fals" este o stare simetrică, dar nefavorabilă din punct de vedere energetic și, prin urmare, instabilă. În lumina teoriei inflației, evoluția universului apare ca un proces sinergetic de auto-organizare. Dacă privim universul ca un sistem închis, atunci procesele de auto-organizare pot fi considerate ca interacțiunea a două subsisteme deschise - vidul fizic și toate microparticulele posibile și cuantele câmpului. Conform acestei teorii, în timpul expansiunii de la starea "supersimetrică", Universul sa încălzit până la temperatura corespunzătoare Big Bang-ului. Dezvoltarea sa ulterioară pe măsură ce temperatura a căzut a trecut prin punctele critice de bifurcare (ramificare), în care a avut loc ruperea spontană a simetriei vidului inițial. Schematic, acest proces este prezentat în următoarea formă simplificată:

Prima bifurcare: ruperea simetriei (identității) dintre bosoni și fermioane a dus la separarea materiei în materie și câmp;

Bifurcația a doua: încălcarea identității dintre cuarci și leptoni; simetria universului este încălcată de o simetrie care corespunde interacțiunilor puternice și simetriei corespunzătoare interacțiunilor electroweak; simetria dintre materie și antimaterie este, de asemenea, încălcată: particulele de materie se naște mai mult și întregul nostru univers se dovedește a fi construit din materie;

A treia bifurcare: spargerea simetriei spontane a interacțiunii electroweak, care este dezvăluită de noi sub forma unei diferențe între interacțiunea electromagnetică și cea slabă.

A 4-a bifurcare: se produc protoni și neutroni.

Dezvoltarea ulterioară a universului duce la apariția hidrogenului, heliului, gazului ionizat, stelelor, galaxiilor etc.

Spargerea spontană a simetriei vidului se exprimă prin faptul că dă energie nașterii microobiecturilor, achiziționării maselor și încărcărilor lor, ca urmare a diminuării densității energetice a vidului.

Important este faptul că evoluția acestei evoluții, alegerea căii de dezvoltare în momentele de bifurcație, s-a dovedit a fi exact așa încât, drept rezultat, a fost exact un astfel de univers pe care îl observăm, adică, Universul în care viața de tipul nostru a fost posibilă și apariția observatorului (așa-numitul principiu antropic).

6. Asimetria și viața

Asimetrie și viață. Descoperirea purității chirale a moleculelor de origine biogenică aruncă lumină nouă asupra apariției vieții pe Pământ, care ar putea fi cauzată de o încălcare spontană a simetriei oglinzilor existente anterior. Factorii de apariție a asimetriei ar putea fi radiația, temperatura, presiunea, impactul câmpurilor electromagnetice etc. Este posibil ca viața pe Pământ să provină sub forma unor structuri similare cu genele organismelor moderne. Acesta ar putea fi un act de auto-organizare a materiei sub forma unui salt, mai degrabă decât o evoluție treptată. În acest sens, vorbesc despre Big Biol.

Studiile arată că, pe parcursul dezvoltării vieții, asimetria extinde din ce în ce mai mult simetria față de procesele biologice și chimice. În exterior, emisferele simetrice ale creierului diferă în funcțiile lor. O caracteristică explicit asimetrică este împărțirea sexelor - o "achiziție ulterioară" a evoluției este suficientă, fiecare sex contribuind informațiile sale genetice la procesul de reproducere. Simetria și asimetria celor vii se manifestă și în cei mai importanți factori ai evoluției. Astfel, în stabilitatea speciei (ereditate), simetria apare, iar în variabilitatea ei - asimetria.

Lista literaturii utilizate







Articole similare

Pagina anterioară

Pagina următoare

Trimiteți-le prietenilor: