Тема 4 Симметрия природы и природа симметрии. Законы и принципы природы. 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Тема 4 Симметрия природы и природа симметрии. Законы и принципы природы.



1.Понятие симметрии и ее типы.

 

Симме́три́я (др.-греч. συμμετρία = соразмерность; от συμ- — совместно + μετρέω — меряю), в широком смысле — соответствие, неизменность (инвариантность), проявляемые при каких-либо изменениях, преобразованиях (например: положения, энергии,информации, другого). Так, например, сферическая симметрия тела означает, что вид тела не изменится, если его вращать в пространстве на произвольные углы (сохраняя одну точку на месте). Двусторонняя симметрия означает, что правая и левая сторона относительно какой-либо плоскости выглядят одинаково.

Отсутствие или нарушение симметрии называется асимметри́ей или аритмией.[1]

Общие симметрийные свойства описываются с помощью теории групп.

Симметрии могут быть точными или приближёнными.

 

 

2.Симметрия формы природных объектов.

 

Издавна симметрия ассоциируется с красотой, ведь она свойственна практически всем природным формам. Достаточно посмотреть на человека: два глаза, два уха, две руки и две ноги, такими же качествами обладают растения и животные. Симметрия природных форм обусловлена в значительной степени влиянием гравитации и усреднением форм вида. Такое усреднение проявляется в ходе эволюции в результате синтеза генетической информации.

Различают три основных типа симметрии: отражение (зеркальная симметрия), поворот (осевая симметрия) иперемещение (трансляционная симметрия).

 

Отражение является одним из видов симметрии, которую называют зеркальной. В этом случае элемент зеркально отражается относительно центральной оси или какой-либо другой линии, совсем как от поверхности зеркала. Зеркальная проекция может быть ориентирована в любую сторону, при этом элемент будет идентично отражаться по обе стороны от оси симметрии. В природе зеркальная симметрия характерна для растений и животных, которые произрастают или двигаются параллельно поверхности Земли. Например, крылья и туловище бабочки можно назвать эталоном зеркальной симметрии.

Осевая симметрия это результат поворота абсолютно одинаковых элементов вокруг общего центра. При этом они могут располагаться под любым углом и с различной частотой. Главное, чтобы элементы вращались вокруг единого центра. В природе, примеры осевой симметрии чаще всего можно найти среди растений и животных, которые растут или перемещаются перпендикулярно к поверхности Земли. Например, у подсолнечника и стебель, и листья симметричны относительно оси вращения.

Перемещение или трансляционная симметрия возникает, когда одинаковые элементы располагаются на различных участках поверхности. В этом случае, элементы могут располагаться на любом расстоянии относительно друг друга, да и их перемещение может происходить в различных направлениях. Впрочем, ориентация элементов должна быть обязательно одинаковой. В природе трансляционную симметрию можно встретить в том случае, если представители одного вида очень схожи. Например, косяк рыбы, в котором независимые организмы практически идентичны друг другу и синхронно двигаются в одном направлении.

Кроме эстетики, симметричные формы обладают другими качествами, которые смогут быть полезны дизайнерам. Так, симметричные элементы, как правило, воспринимаются как единый объект, а не как группа отдельных изображений. Следовательно, они больше привлекают к себе внимание и лучше запоминаются. Кроме того, симметричные элементы выглядят более простыми и понятными, чем ассиметричные, что также является преимуществом, так как улучшает их восприятие. И еще один нюанс, как известно, симметричные лица всегда считаются более привлекательными, чем несимметричные.

 

Симметрия – один из базовых принципов красоты. В дизайне ее используют для достижения баланса, гармонии и стабильности. Особенно удобно использовать простые симметричные формы, когда необходимо добиться легкости восприятия и запоминания образа. А вот более сложные конструкции, составленные с использованием различных типов симметрии, незаменимы, если требуется создание более оригинального и интересного с художественной точки зрения образа.

 

 

3.Симметрия свойств природных объектов.

 

В естествознании принято понимание симметрии как инвариантности (неизменности) относительно тех или иных преобразований. Если в качестве преобразований рассматриваются перемещения между точками пространства, то инвариантность относительно них называется однородностью. Свойства однородного объекта одинаковы во всех его точках. Инвариантность относительно поворотов во всевозможных направлениях принято называть изотропностью (от греч. исо- одинаковый, равный и тропэ — поворот, превращение). Свойства изотропного объекта не зависят от направления, в котором мы их измеряем.
Пластичность – это легкость изменения формы, то есть она не может считаться проявлением инвариантности.
Покровительственную окраску, в принципе, можно рассматривать как свойство симметрии (при переводе взгляда с объекта на окружающие предметы зрительное ощущение не изменяется, остается инвариантным), однако это симметрия не самого объекта, а симметрия системы «объект + его окружение». В одном окружении окраска будет покровительственной (белый маскхалат на снегу), в другом – нет (тот же маскхалат в летнем лесу).

 

4.Симметрия микроструктуры природных объектов.

 

При рассмотрении низкомолекулярных молекул индивидуальных соединений, построенных из нескольких типов звеньев, можно говорить о симметрии микроструктуры этих молекул, если порядок чередования звеньев при движении вдоль молекулы не будет зависеть от того, с какого конца это движение начинается.

 

5.Симметрия атомно-молекулярного строения материи.

 

В реальных системах, рассматриваемых в физике, обнаруживаются пространственные и временное структуры. Структуры пространственного типа изучаются с древних времен сегодня они составляют специальный раздел кристаллографии. Элементами множества являются здесь атомы и молекулы, которые рассматриваются как точки, а предметом исследования — пространственные переносы. Анализ структур этого типа приводит к понятию симметрии, тесно связанному с представлениями о структуре и упорядоченности. Временная структура неотделима от динамики системы, иначе говоря, от законов движения здесь особенно важны принципы однонаправленности времени и причинности. Наличие пространственно-временной структуры является всеобщим и фундаментальным свойством материи, однако пространственные и временные свойства материальных структур пока что до конца не раскрыты. В частности, при изучении.

 

6.Симметрия элементарных частиц.

 

Элементарные частицы, в точном значении этого термина, – это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя.

Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них по современным представлениям являются составнымисистемами. Общее свойство этих систем заключается в том. Что они не являются атомами или ядрами (исключение составляет протон). Поэтому иногда их называют субъядерными частицами.

Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, иногда называют «истинно элементарные частицы».

Первой открытой элементарной частицей был электрон. Его открыл английский физик Томсон в 1897 году. Симметрия рассматривается как фактор, определяющий существование различных групп и семейств элементарных частиц.

Сильное взаимодействие симметрично относительно поворотов в особом «изотопическом пространстве». С математической точки зрения изотопическая симметрия отвечает преобразованиям группы унитарной симметрии SU(2). Изотопическая симметрия не является точной симметрией природы, т.к. она нарушается электромагнитным взаимодействием и различием в массах кварков.

Изотопическая симметрия представляет собой часть более широкой приближенной симметрии сильного взаимодействия – унитарной SU(3)-симметрии. Унитарная симметрия оказывается значительно более нарушенной, чем изотопическая. Однако высказывается предположение, что эти симметрии, которые оказываются очень сильно нарушенными при достигнутых энергиях, будут восстанавливаться при энергиях, отвечающих так называемому «великому объединению».

Для класса внутренних симметрий уравнений теории поля (т.е. симметрий, связанных со свойствами элементарных частиц, а не со свойствами пространства-времени), применяется общее название – калибровочная симметрия.

Калибровочная симметрия приводит к необходимости существования векторных калибровочных полей, обмен квантами которых обусловливает взаимодействия частиц.

Идея калибровочной симметрии оказалась наиболее плодотворной в единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий.

Интересной проблемой квантовой теории поля является включение в единую калибровочную схему и сильного взаимодействия («великое объединение»).

Другим перспективным направлением объединения считается суперкалибровочная симметрия, или просто суперсимметрия.

В 60-х годах американскими физиками С. Вайнбергом,Ш. Глэшоу, пакистанским физиком А. Саламом и др. была создана единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий, позднее получившая название стандартной теории электрослабого взаимодействия. В этой теории наряду с фотоном, осуществляющим электромагнитное взаимодействие, появляются промежуточные векторные бозоны – частицы, переносящие слабое взаимодействие. Эти частицы были экспериментально обнаружены в 1983 году в CERN'е.

Открытие на опыте промежуточных векторных бозонов подтверждает правильность основной (калибровочной) идеи стандартной теории электрослабого взаимодействия.

Однако для проверки теории в полном объеме необходимо также экспериментально исследовать механизм спонтанного нарушения симметрии. Если этот механизм действительно осуществляется в природе, то должны существовать элементарные скалярные бозоны – так называемые хиггсовы бозоны. Стандартная теория электрослабого взаимодействия предсказывает существование, как минимум, одного скалярного бозона.

Механизм спонтанного нарушения симметрии, который встречается в разнообразных физических ситуациях, получил широкое распространение в квантовой теории поля. Было показано, что в калибровочных теориях этот механизм может приводить к появлению конечной массы у безмассовых калибровочных частиц (т.н. эффект Хиггса).

В моделях «Великого объединения» группа симметрии электрослабого взаимодействия и группа симметрии сильного взаимодействия являются подгруппами единой группы, характеризующейся единой константой калибровочного взаимодействия.

В основе «Великого объединения» – тот факт, что при переходе к малым расстояниям (т.е. к высоким энергиям) увеличивается константа электрослабого взаимодействия и уменьшается константа сильного взаимодействия. Экстраполяция такой тенденции на сверхвысокие энергии приводит к равенству констант всех трех взаимодействий при некотором энергетическом масштабе, при котором происходит спонтанное нарушение симметрии «Великого объединения», приводящее к возникновению масс у частиц, описывающих смешанные калибровочные поля.

В разных моделях «Великого объединения» предсказывается различная величина энергетического масштаба, но в любом случае такие энергии недостижимы в обозримом будущем ни на ускорителях, ни в космических лучах. Для проверки моделей «Великого объединения» могут использоваться либо их предсказания в низкоэнергетической области, либо космологические следствия этих моделей (по современным представлениям, на очень ранних стадиях расширения Вселенной могли достигаться температуры много большие, чем энергетический масштаб «Великого объединения»).

Одним из предсказаний моделей «Великого объединения» является несохранение барионного заряда и, как следствие, нестабильность протона.

Супергравитация – калибровочная теория суперсимметрии, представляющая собой суперсимметричное обобщение общей теории относительности (теории тяготения).

Расширенная теория супергравитации обладает симметрией, в принципе позволяющей объединить все известные виды взаимодействий – гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Однако имеющиеся модели пока далеки от реальной действительности (в частности, в них нет места некоторым фундаментальным частицам).

 

7.Особая роль зеркальной симметрии в природе

 

Отражение человеческого тела — это тоже дискретное преобразование, потому что мы просто левое изменяем на правое. Когда мы смотрим в зеркало и видим там отображение — это тоже преобразование отражения. Если смотреть в зеркало, то левая рука становится правой, а правая — левой. Если есть одинаковость, то зеркальный мир совпадает с нашим миром. Если же у нас различаются руки, то миры не совпадают. Например, сердце у человека в зеркале с другой стороны, значит, нет полной симметрии с зеркальным миром. Все это проявляется и в физике частиц.

Зеркальная симметрия потребляется также для описания соответствующего типа симметрии объекта, то есть, когда объект при операции отражения переходит в себя. Это математическое понятие в оптике описывает соотношение объектов и их (мнимых) изображений при отражении в плоском зеркале. Проявляется во многих законах природы (в кристаллографии, химии, физике, биологии и т. д., а также в искусстве и искусствоведении)

 

 



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2016-04-08; просмотров: 1784; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 44.222.63.67 (0.022 с.)