Концепции современного естествознания


Лекция 14. Симметрия законов природы



страница22/64
Дата30.07.2018
Размер2.74 Mb.
ТипУчебное пособие
1   ...   18   19   20   21   22   23   24   25   ...   64
Лекция 14. Симметрия законов природы
К слову «симметрия» мы привыкаем с детства, и кажется, что в этом ясном понятии ничего загадочного быть не может. Если стать в центре здания и слева от вас окажется то же количество этажей, колонн, окон, что и справа, значит здание симметрично. Если бы можно было перегнуть его по центральной оси, то обе половинки дома совпали бы при наложении. Такая симметрия получила название зеркальной. Этот вид симметрии весьма популярен в животном царстве, сам человек скроен по ее канонам.

В этом понимании симметрия означает неизменность предмета при отражении в зеркале или при отражении в центре.

Наиболее удачным может считаться остроумное определение немецкого математика Германа Вейля (1885-1955), согласно которому, симметричным называется такой предмет, с которым можно проделать какую-то операцию, получив в итоге первоначальное состояние. В случае зеркальной симметрии меняются правая и левая части предмета, а при поворотной симметрии переставляются его части.

Будем понимать под симметрией неизменность не только предметов, но и физических явлений, и не только при отражении, но и вообще при какой-либо операции – например, при переносе установки из одного места в другое, или при изменении момента отсчёта времени.

Выделяют понимание симметрии в узком и в широком смысле.

В узком смысле «симметричное обозначает нечто, обладающее хорошим соотношением пропорций, а симметрия – тот вид согласованности отдельных частей, который объединяет их в целое. Красота тесно связана с симметрией», - писал Г.Вейль в книге «Этюды о симметрии».

В широком смысле симметрия – это понятие, отображающее существующий в объективной действительности порядок, определенное равновесное состояние, относительную устойчивость, пропорциональность и соразмерность между частями целого.

Мы воспринимаем как совершенно естественный тот факт, что законы физики совершенно одинаковы в Москве, Калуге и Лос-Анджелесе. Природа, точнее ее законы, обладает одним из видов симметрии — однородностью пространства: все точки пространства равноправны.

Но в пространстве взаимозаменяемы не только отдельные точки, но и группы точек — целые направления. Другими словами, если бы вдруг вся вселенная со всеми неисчислимыми звездными мирами плавно повернулась бы на какой-то угол, законы природы ни на йоту не изменились бы. Такое равноправие направлений, или, как говорят ученые, изотропность пространства, - тоже вид симметрии. Законы природы симметричны не только относительно пространства, но и относительно времени.

Физики полагаются на СТАБИЛЬНОСТЬ МИРОЗДАНИЯ: законы, которые истинны сегодня, были истинны вчера и останутся истинными завтра. Представим себе Вселенную, в разных частях которой свои законы физики, и эти законы изменяются непредсказуемым образом от места к месту. В таком мире эксперименты, проведённые в одном месте, не дадут никакой информации о физических законах, действующих в других местах. К счастью, всё, что мы знаем, говорит о том, что ПОВСЕМЕСТНО ДЕЙСТВУЮТ ОДНИ И ТЕ ЖЕ ЗАКОНЫ ФИЗИКИ. Физики называют это свойство физических законов СИММЕТРИЕЙ ПРИРОДЫ.

Различают следующие формы симметрии.



К геометрической форме симметрии (внешние симметрии) относятся свойства пространства-времени, такие, как однородность пространства и времени, изотропность пространства, эквивалентность инерциальных систем отсчета и т. д.

К динамической форме относятся симметрии (внутренние симметрии), выражающие свойства физических взаимодействий, например, симметрии электрического заряда, симметрии спина и т. п.

Калибровочные симметрии. Важным понятием в современной физике является понятие калибровочной симметрии. Калибровочные симметрии связаны с инвариантностью относительно масштабных преобразований. Сам термин «калибровка» происходит из жаргона железнодорожников, где он означает переход с узкой колеи на широкую. Под калибровкой, таким образом, первоначально понималось именно изменение масштаба.

Рассмотрим сначала, как проявляется самая простая геометрическая симметрияОДНОРОДНОСТЬ (эквивалентность всех точек) и ИЗОТРОПНОСТЬ (эквивалентность всех направлений) ПРОСТРАНСТВА. Эта симметрия означает, что любой физический прибор – часы, телевизор, телефон – должен работать одинаково в различных точках пространства, если не изменяются окружающие физические условия. То же самое относится и к повороту прибора. Например, если вы проводите какой-то эксперимент и после этого решаете повернуть вашу установку и повторить опыт, должны действовать те же самые законы. Этот принцип известен под названием ВРАЩАТЕЛЬНОЙ СИММЕТРИИ. Он означает, что законы физики трактуют все возможные НАПРАВЛЕНИЯ как равноправные.

Роль симметрии состоит в возможности восстановления свойств по косвенным признакам, что гораздо проще прямого подхода. Так, для изучения законов физики в созвездии Андромеды можно было бы направить туда экспедицию. Но косвенный подход с использованием закона симметрии при сдвиге места действия куда проще.

Ещё одна важная геометрическая симметрия – ОДНОРОДНОСТЬ ВРЕМЕНИ. Все физические законы протекают одинаково, когда бы они ни начались. Так, электроны в атомах далёких звёзд движутся в том же ритме, что и на Земле, - частота испускаемого ими света такая же, несмотря на то, что свет был испущен миллиарды лет тому назад.

Законы природы НЕ ИЗМЕНЯЮТСЯ И ОТ ЗАМЕНЫ НАПРАВЛЕНИЯ ТЕЧЕНИЯ ВРЕМЕНИ НА ОБРАТНОЕ ТЕЧЕНИЕ. Это означает, что взгляд назад являет такую же картину, как и взгляд вперёд. Так ли это? Яйцо, упавшее со стола, растекается, и никогда белок и желток не собираются обратно в скорлупу и не «прыгают» обратно на стол. И тем не менее, молекулы в принципе могут случайно так согласовать свои движения, что невероятное свершится. В малом масштабе явления такого рода происходят с большой вероятностью: молекулы в малом объёме газа под влиянием столкновений то стекаются вместе, то растекаются так, что их плотность только в среднем является постоянной.

Существует еще и геометрическая ЗЕРКАЛЬНАЯ СИММЕТРИЯ – волчок, закрученный направо, ведёт себя так же, как закрученный налево, единственная разница в том, что фигуры движения правого волчка будут зеркальным отражением фигур левого.

Если объект может быть как зеркально симметричным, так и зеркально асимметричным как, например, левая и правая перчатка, то это его свойство зеркальной симметрии называется хиральностью (от греческого слова cheiros – рука).

СИММЕТРИЯ СРТ (це-пе-те) или СРТ-теорема, состоит в том, что процессы в природе не меняются (симметричны) при одновременном проведении трех преобразований: 1. Замене частиц античастицами (замена заряда на противоположный). 2. Зеркальном отражении, т. е. замене координат r на - r, к примеру, правого направления на левое (пространственная инверсия). 3. Замене времени, прошлого на будущее, t на - t (обращение времени).

СРТ-теорема была сформулирована и доказана в работах немецкого физика Г. Людерса (р. 1920) и швейцарского физика В. Паули (1900-1958). Она вытекает из основных принципов квантовой теории поля. Если в природе происходит некоторый процесс, то в силу СРТ-теоремы с той же вероятностью в ней может происходить и процесс с соответствующими заменами.

А.Эйнштейн обнаружил, что все явления природы инвариантны относительно сдвигов, поворотов и отражений в ЧЕТЫРЁХМЕРНОМ ПРОСТРАНСТВЕ-ВРЕМЕНИ. СИММЕТРИЯ ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМЕНИ ЯВЛЯЕТСЯ ВСЕОБЩЕЙ, все явления природы - физические, химические, биологические - не изменяются при таких поворотах. Ему удалось это сделать после глубокого и не сразу принятого современниками пересмотра привычных представлений о ПРОСТРАНСТВЕ и ВРЕМЕНИ.

Согласно специальному принципу относительности Эйнштейна, все физические законы имеют одинаковый вид в любых инерциальных системах отсчета. Это означает, что они симметричны (инвариантны) относительно перехода от одной инерциальной системы к другой.

Важнейшее следствие симметрии состоит в том, что КАЖДОЙ СИММЕТРИИ СООТВЕТСТВУЕТ СВОЙ ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ.

Данный вывод содержится в ТЕОРЕМЕ НЁТЕР, выведенной в 1918 г. и названной в честь её создательницы, немецкого математика Эмми Нётер (1882-1935). Например, закон сохранения импульса есть следствие однородности пространства. Величина импульса не зависит от выбора начальной точки отсчёта в пространстве (сдвиг в пространстве).




Каталог: doci -> kafedri -> phil
phil -> Примерная тематика докладов аспирантов по философии науки в 2015-2016 уч г. Общие проблемы философии науки «Венский кружок»
phil -> Примерная тематика рефератов аспирантов по истории науки в 2015-2016 уч г
phil -> Вопросы к экзамену по дисциплине «Философские проблемы науки и техники»
phil -> Кандидатский экзамен по истории и философии науки
phil -> Чернов С. А. Начала философии. Ч. 2 – Учеб пособие – спбгут спб, 2005
phil -> Ш37 Рецензент
phil -> Вопросы к зачёту по дисциплине «Философские проблемы науки и техники»
phil -> Русская философия о роли личности в истории государства


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   18   19   20   21   22   23   24   25   ...   64


База данных защищена авторским правом ©znate.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница