Концепции современного естествознания. Шпаргалки - Ирина Богданова

Вернадский считал, что переход биосферы в ноосферу возможен, поскольку человечество стало силой в планетарном масштабе, в основном познало законы природы и может построить общество на гуманитарных принципах.

109. Понятие симметрии и асимметрии

Симметрией называется вид согласованности отдельных частей, который объединяет их в целое, при хорошем соотношении пропорций. Геометрическая симметрия относится к пространственным отношениям, акустическую симметрию рассматривает гармония в музыке и т. п. Геометрия оперирует зеркальной симметрией, то есть симметрией, возникающей при вращении или отражении объекта (если количество и размер части предмета справа и слева, как на плоскости, так и в объеме, одинаковы, то этот предмет относительно центральной оси симметричен; если отраженный предмет или луч света совпадают при наложении в повороте на 180 градусов, то они симметричны).

Чем больше осей симметрии существует у предмета, тем более он симметричен: круг более симметричен, чем квадрат или равносторонний треугольник, поскольку у круга существует столько осей симметрии, сколько прямых можно провести через его центр.

Симметрия показывает порядок, равновесное состояние, устойчивость, пропорциональность и соразмерность между всеми частями целого. К геометрической симметрии относятся однородность пространства и времени, изотропность пространства, эквивалентность инерциальных систем отсчета.

Кроме геометрической существует динамическая, или внутренняя, симметрия , которая относится к свойствам физических взаимодействий: симметрии электрического заряда, симметрии спина и т. п., то есть частный случай геометрической симметрии.

Асимметрией называется нарушение пропорциональности отдельных частей целого, не позволяющее сложить данный предмет по центральной оси до полного совпадения. В этом плане несимметричными являются многоугольники с неравным числом сторон или разной их длиной, сложные геометрические фигуры и т. п.

Асимметрия показывает нарушение порядка, равновесия, относительной устойчивости, пропорциональности и соразмерности между частями целого. Асимметрия может быть геометрической (пространственной) и динамической: к первой относятся неоднородность пространства – времени, анизотропность пространства и т. д., к последней – различия между протонами и нейтронами в электромагнитных взаимодействиях, между частицами и античастицами (по электрическому, барионному зарядам) и т. д.

В физике существуют калибровочные симметрии , связанные с инвариантностью относительно изменения масштаба, уровня, сдвига системы координат.

110. Понятие симметрии в физике

Симметрия присуща не только «идеальным» фигурам геометрии, но и многим физическим величинам и явлениям. По теореме Нетер следует: если свойства системы не меняются относительно какого-либо преобразования переменных, то этому соответствует некоторый закон сохранения. В качестве преобразований могут рассматриваться следующие:

1) сдвиг начала координат, связанный с физической эквивалентностью всех точек пространства (симметрии относительно переносов в пространстве);

2) поворот трех осей координат, связанный с однородностью свойств пространства во всех направлениях (симметрия относительно поворотов);

3) сдвиг начала отсчета по времени, связанный с равномерным течением времени во всех инерциальных системах отсчета (симметрия относительно переноса по времени);

4) равномерное прямолинейное движение начала отсчета со скоростью V, связанное с эквивалентностью систем (изотропность пространства-времени).

Данные четыре вида симметрии считаются универсальными , поскольку все физические законы в них выполняются независимо от перехода в другую систему отсчета. Среди выполняемых законов следующие:

1. Закон сохранения импульса (следствие однородности пространства).

2. Закон сохранения момента импульса (следствие изотропности пространства).

3. Закон сохранения энергии (следствие однородности времени).

4. Закон сохранения скорости центра масс (следствие изотропности пространства – времени).

Данные виды симметрии относятся к геометрическим.

Существуют динамические симметрии, для которых действуют: закон сохранения электрического заряда (при превращении элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной), закон сохранения лептонного заряда (при превращении элементарных частиц сумма разность числа лептонов и антилептонов не меняется) и др. С законом сохранения электрического заряда связана электромагнитная калибровочная симметрия , сущностью которой является неизменность силовых характеристик электромагнитного поля и магнитной индукции при масштабных преобразованиях.

111. Понятие симметрии в биологии

В живой природе полной геометрической симметрией обладают, как правило, наиболее простые организмы. Это микроорганизмы, живущие в водной среде, близко к поверхности, и имеющие шарообразную форму. Идеальная геометрическая форма тела сформировалась у них, поскольку оказываемое на тело давление водной среды благоприятно во всех направлениях. У организмов, живущих на глубине, форма тела сплющена по толщине, поскольку на них действует давление воды, и чем глубже ареал распространения, тем более плоскую форму имеет тело. Но тем не менее органы этих организмов расположены зеркально-симметрично.

Сухопутные животные также обладают симметрией тела, хотя чем более высокоразвито живое существо, тем относительнее симметрия между левой и правой частями тела. Наибольшую симметрию имеют конечности, хотя при более глубоком рассмотрении их величина ненамного отличается. В то же время в процессе эволюции расположение внутренних органов несимметрично (сердце расположено слева, кишечник закручен влево).

Зеркальной асимметрией обладают также молекулы органических веществ, из которых построено тело живых существ или которые синтезированы организмом. Их также называют хиральными , причем хирально чистыми в отличие от молекул неживых, хирально нечистых. Хиральностью живые молекулы отличаются от синтезированных искусственно органических молекул, которые имеют зеркальную симметрию или могут быть спонтанно ассиметричными. Ассиметричные неживые молекулы, которые тоже встречаются в природе, могут иметь как левую, так и правую асимметричность.

В отличие от них живые молекулы обладают либо только левой, либо только правой ориентацией: молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты имеет спираль, закрученную вправо, фруктоза – левонаправленная (вращается влево) глюкоза – правонаправленная (вращается вправо) и т. п.

Был выведен важнейший признак живых систем на молекулярном уровне: живые организмы способны создавать только хирально чистые молекулы, именно этим на биохимическом уровне живое отличается от неживого. Следовательно, наличие хиральности – главный показатель живой материи.

112. Нарушение симметрии самоорганизующихся структур

Считается, что отход от симметричной организации стал толчком для усложнения материи и развития жизни. В основе синергетики лежит мысль, что в основе формирования Вселенной было спонтанное нарушение симметрии первичного вакуума, существовавшего до Большого Взрыва, именно нарушение симметрии сделало физический вакуум неустойчивым и заставило его раздуваться, то есть начался процесс гравитационного отталкивания и расширения вакуума. Вселенная разогрелась, расширилась, потеряла симметричность, потом начался процесс падения температуры, и Вселенная прошла ряд точек с еще большей потерей симметрии (так называемые точки бифуркации – ветвления), которые синергетика выстраивает согласно схеме:

1) нарушение симметрии (тождества) между бозонами и фермионами положило начало разделению материи на вещество и поле;

2) нарушилась симметрия между кварками и лептонами; между сильным взаимодействием и электрослабым взаимодействием; между веществом и антивеществом: возросло количество частиц вещества и Вселенная оказалась построенной из вещества;

3) нарушение симметрии электрослабого взаимодействия проявилось в виде различия между электромагнитным и слабым взаимодействием;

4) возникли протоны и нейтроны.

Далее симметрия все более терялась, давая начало химическим элементам (водороду, гелию, ионизованному газу), звездам, галактикам и т. п. Плотность энергии вакуума уменьшалась, она уходила на создание микрочастиц, которые получали массу и заряд. В результате этих процессов была рождена Вселенная с теми свойствами, которыми она обладает и сегодня. На молодой Земле процесс зарождения жизни начался с утраты симметрии и создания хирально чистых органических молекул.