Симметрия в природе

Можно расширить  понятие симметрии и назвать  группой симметрии такие преобразования пространства и времени, при которых форма записи уравнений или комбинации физических величин остаются неизменными. Именно в этом смысле гово-рят о симметрии физических законов.

Законы сохранения распространяются на весь диапазон фи-зических явлений: от микро- до макротел.

Закон -- внутренняя, существенная и устойчивая связь яв-лений, обусловливающая их упорядоченное изменение.

Закономерность  -- совокупность взаимосвязанных законов, обеспечивающих устойчивую тенденцию или направленность в изменениях системы.

Законы  сохранения -- физические закономерности, соглас-но которым численные значения некоторых физических вели-чин не изменяются со временем.

Широко известный  закон, математически выраженный Эйн-штейном  формулой Е=пдс², относится к законам сохранения. Он является фундаментальным, определяющим границы примени-мости классических представлений при описании свойств мик-ромира. Он позволил не только обосновать периодическую систему элементов, но и объяснить насыщенность электронных оболочек, свойства пара- и диамагнетиков, квантовую химию и др., построить современную теорию элементарных частиц и квантовую теорию поля. А на базе квантовой механики затем создали целый ряд современных технологий, микроэлектрони-ку, лазеры, ЭВМ, новые материалы.

В 1845 г. Л. Майер (1820 -1895) издал работу "Органическое движение в связи с обменом веществ", где последовательно и схематично изложил учение о сохранении и превращении энер-гии. Суть этого учения в следующем: в Природе есть весомая и непроницаемая материя, а остальное -- силы (энергия). Дви-жение есть сила, оно измеряется величиной "живой силы" (ки-нетической энергии). Поэтому возможны только превращения сил. Источником всех сил на Земле является Солнце. Жизнеде-ятельность живых организмов рассматривается с точки зрения превращения форм энергии. Его метод: разница удельных теплоемкостей приравнивается работе (С_р - C_v = R), где R -- соот-ношение теплоемкостей и газовой постоянной. Уравнение носит имя Майера, он же получил экспериментальным путем механи-ческий эквивалент теплоты 4,19 Дж/ккал.

Д. Джоуль и, независимо от него, X. Ленц (1804-1865) от-крыли закон -- количество теплоты, выделенной током, про-порционально квадрату силы тока и  сопротивлению. Q = I² R.

Закон сохранения и превращения энергии иногда называют первым началом термодинамики.

В большинстве  химических и физических процессов  изме-нение массы недоступно измерению, а всеобщий закон сохра-нения  массы, применяемый от астрономии до зоологии, был установлен в разных науках по отдельности. Таким образом, в общем случае была разработана единая методика определения энергоемкости веществ на основе сгорания веществ в чистом кислороде, позволяющая без особых потерь передать теплоту воде и измерить ее.

В 1822 г. французский математик Ж. Б. Фурье (1768-1830), исследуя тепловые процессы, вывел дифференциальные урав-нения теплопроводности (закон Фурье) и разработал методы интегрирования в работе "Аналитическая теория тепла", исполь-зуя разложение функций в тригонометрический ряд -- ряд Фу-рье. Так вошли в математическую и теоретическую физику ряды Фурье и интеграл Фурье.

Русский академик Г. И. Гесс (1802 - 1850), исследуя хими-ческие реакции, в своем законе связывал сохранение и превращение вещества, включая тепловое, а следовательно, подтвер-дил законы сохранения и превращения энергии.

Вслед за Джоулем, Томсоном (лордом У. Кельвином) (1824 - 1907) и Г. Гельмгольцем (1821 - 1894), Р. Клаузиус (1822 - 1888) применил закон сохранения и превращения энер-гии к электрическим явлениям (1852), обратив внимание на то, что между затраченной работой и полученной теплотой наблю-дается постоянство соотношения только при циклических про-цессах -- тело периодически возвращается в исходное состояние.

Томсон применил этот закон к световым явлениям, химичес-ким процессам и жизнедеятельности живых организмов, а за-тем к электрическим и магнитным явлениям, установив выражение для энергии магнитного поля в виде интеграла Фу-рье, взятого по объему.

Итак, закон сохранения и превращения энергии приобрел права всеобщего закона Природы, объединяющего живую и неживую Природу в виде первого начала термодинамики -- сохраняется энергия (а не теплота).

Под законами сохранения, наряду с сохранением полной энергии, понимают сохранение импульса и момента импульса -- они определяют динамику и галактик, и элементарных частиц, а также ряд других законов сохранения, например закон сохра-нения странности и некоторых квантовых чисел.

Различают два  вида энергии: потенциальную и кинетичес-кую.

Понятие потенциальной энергии тела вводится для сил, ра-бота которых определяется только положением начальной и конечной точек траектории. Такие силы называют консерватив-ными. Работа неконсервативных сил зависит от формы тра-ектории, например, силы трения.

Кинетическая энергия -- это энергия массы, движущейся под действием неконсервативных сил, а поэтому правильнее говорить о ее приращении, которое равно работе всех сил, приложенных к телу. Это могут быть силы упругости, тяготения, трения и т. д.

Связь симметрии  пространства и законов сохранения была изложена немецким математиком Э. Нетер (1882-1935) в фор-ме фундаментальной теории: однородность пространства и времени влечет законы сохранения импульса и энергии, а изот-ропность пространства -- сохранения момента импульса и энер-гии.

Установление  связи между свойствами пространства и вре-мени и законами сохранения выражается в вариационном прин-ципе.

Закон изменения полной энергии

Сумму кинетической и потенциальной энергий называют пол-ной энергией тела. Она включает кинетическую энергию, кото-рая всегда положительна, и потенциальную, которая может быть как положительной, так и отрицательной. Таким образом, пол-ная энергия может быть любого знака и равна нулю. Один из важнейших законов механики гласит: приращение полной энер-гии тела равно работе неконсервативных сил.

Закон сохранения полной энергии

Если неконсервативные силы отсутствуют или их работа рав-на нулю, то полная энергия не меняется, то есть имеет одно и то же значение в любой момент времени.

Закон сохранения полной энергии системы тел

Если в замкнутой  системе действуют силы трения, то пол-ная энергия системы уменьшается, что не означает ее исчезно-вения. Наличие  трения приводит к увеличению кинетической энергии движения молекул и потенциальной  энергии их взаи-модействия за счет уменьшения полной энергии. Сохранение полной энергии замкнутой системы, равной сумме полной и внутренней энергий, является частным случаем всеобщего за-кона сохранения и превращения энергии всех форм движения материи.

Закон сохранения энергии в применении к тепловым процес-сам выражен в первом начале термодинамики. При этом в многоатомных молекулах кинетическая энергия складывается из трех независимых частей -- энергии движения молекулы как целого, вращательной энергии и колебательной энергии ядер.

Передача тепла  возможна, кроме трения, теплопроводнос-тью, конвенцией, излучением.

С законами сохранения энергии тесно  связан закон про-порциональности, или взаимосвязи  массы и энергии (эта  связь совершенно универсальна): изменение массы тела прямо пропорционально изменению полной энергии или приращению ки-нетической и собственной (потенциальной) энергии.

Закон сохранения импульса

Данный закон  представляет собой результат симметрии  от-носительно параллельного переноса исследуемого объекта в пространстве, суть -- однородность пространства. Так, в пус-том пространстве импульс сохраняется во времени, а при нали-чии взаимодействия скорость его изменения определяется суммой приложенных сил. В случае системы материальных то-чек, их полный импульс определяется как векторная сумма всех импульсов, составляющих систему материальных точек.

Системы, на которые  не действуют внешние силы, называ-ют замкнутыми. Основная масса законов сформулирована имен-но для таких систем.

Закон сохранения момента  импульса

Он являет собой пример симметрии относительно поворота в пространстве (изотропность пространства).

Этот закон  есть следствие неизменности мира по отноше-нию к его поворотам  в пространстве.

Это свойство используется, в частности, в гироскопах и дру-гих  навигационных системах.

Все эти законы сохранения не только фундаментальны, но и универсальны в пределах микро-, макро- и мегамиров.

Закон сохранения заряда

Этот закон  есть следствие симметрии относительно замены описывающих систему параметров на их комплексно-сопряжен-ные значения.

Релятивистская  инвариантность заряда и закон сохранения заряда изолированной системы взаимно  обусловливают друг друга и принимаются  в качестве исходного положения  класси-ческой электродинамики.

Закон сохранения четности

Этот закон  подразумевает симметрию относительно инвер-сии (зеркального отражения).

Оба закона действуют  в микро- и мегамирах для элементар-ных  частиц.

Закон сохранения энтропии

Этот закон  есть следствие симметрии относительно обраще-ния времени.

В настоящее  время иных фундаментальных законов сохра-нения четко формулировать не представляется возможным. Однако это не означает, что число их ограниченно.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

Симметрия -- это категория, обозначающая процесс суще-ствования и становления тождественных объектов, в опреде-ленных условиях и в определенных отношениях между различными и противоположными состояниями явлений мира.

Это определение  накладывает методологические требования: при изучении явления, события, состояния  движущейся мате-рии, прежде всего необходимо установить свойственные им различия и противоположности, затем уже раскрыть, что в нем есть тождественного и при каких условиях и в каких отношени-ях это тождественное возникает, существует и исчезает. Отсю-да общие правила формирования гипотез: если установлено существование какого-то явления, состояния или каких-то их свойств и параметров, то необходимо предполагать и существо-вание противоположных явлений, противоположных свойств и параметров; в свою очередь, необходимо далее постулировать, что между противоположными условиями в каких-то отноше-ниях и условиях возникают и существуют тождественные мо-менты. В этих двух правилах выражается применение понятия симметрии в конкретных исследованиях.

Асимметрия  -- категория, обозначающая существование и становление в определенных условиях и отношениях различий и противоположностей внутри единства, тождества, цельности явлений мира.

Симметрия и  асимметрия дополняют друг друга, и  искать их нужно одновременно.

История науки  показывает, что симметрия позволяет  объяс-нить многие явления и предсказать существование новых свойств Природы.

В естествознании преобладают определения категорий  сим-метрии и асимметрии на основании  перечисления определен-ных признаков. Например, симметрия определяется как  совокупность

Свойства симметрии пространства и времени связывают и определяют и законы сохранения: с однородностью времени связан закон сохранения энергии; с однородностью простран-ства -- сохранения импульса, с изотропией -- сохранения мо-мента импульса.

 

ЛИТЕРАТУРА:

Вейль Г. Симметрия. -- М.: Наука, 1975.

Горохов В. Г. Концепции  современного естествознания. -М: Инфра-М, 2000.

Горелов А. А. Концепции  современного естествознания. -М.: Центр, 1997.

ДруяновЛ. А. Законы природы и их назначение. -- М.: Про-свещение, 1982.

Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. -- Новосибирск: ЮКЭА, 1997.

Карпенко С. X. Основные концепции естествознания. -- М.: Культура и спорт, 1998.

Князева Е. Н., Курдюмов С. П. Законы эволюции и самоор-ганизации  сложных систем. -- М.: Наука, 1994.

КомпанеецА. С. Симметрия в микро- и макромире. -- М.: Наука, 1978.