Эволюция, как цепочка нарушений симметрии

Взаимосвязь симметрии и асимметрии рассматривается современной наукой в различных аспектах, охватывающих саморазвитие материи на всех ее структурных уровнях. Так современное синергетическое видение эволюции Вселенной основано на идее о т.н. спонтанном нарушении симметрии исходного вакуума. Под исходным вакуумом понимают состояние материи до Большого Взрыва, когда вся материя была представлена физическим вакуумом. В настоящее время считается, что истинный физический вакуум – это состояние материи с наименьшей энергией. Идея спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума означает отход от общепринятого представления о вакууме как о состоянии, в котором значение энергии всех физических полей равно нулю. Здесь признается возможность существования состояний с наименьшей энергией при отличном от нуля значении некоторых физических полей и возникает представление о существовании вакуумных конденсатов – состояний с отличным от нуля средним значением энергии. Спонтанное нарушение симметрии означает, что при определенных макроусловиях фундаментальные симметрии оказываются в состоянии неустойчивости, а платой за устойчивое состояние является асимметричность вакуума. (Для такого вакуума введен термин «ложный вакуум»). В качестве наглядной иллюстрации можно привести пример со спонтанным нарушением вращательной симметрии (см. рис.1). Та же идея справедлива и в случае не вращательной, а калибровочной симметрии

В качестве одного из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной, рассмотренный нами ранее, включает инфляционную стадию (раздувание) от «ложного вакуума» – вакуума, обладающего огромной энергией. Такой вакуум обладает стремление к гравитационному отталкиванию, обеспечивающему его расширение. «Ложный» вакуум представляет собой симметричное, но энергетически невыгодное, а следовательно, нестабильное состояние. В свете инфляционной теории эволюция Вселенной предстает как синергетический самоорганизующийся процесс. Если считать Вселенную замкнутой системой, то процессы самоорганизации могут быть рассмотрены как взаимодействие двух открытых подсистем – физического вакуума и всевозможных микрочастиц и квантов полей. Согласно этой теории в процессе расширения из «суперсимметричного» состояния Вселенная разогрелась до температуры, соответствующей Большому Взрыву. Дальнейшее ее развитие по мере падения температуры пролегало через критические точки бифуркации (ветвления), в которых происходили спонтанные нарушения симметрий исходного вакуума. Схематично этот процесс представляется в следующем (весьма упрощенном!) виде:

1-я бифуркация: нарушение симметрии (тождества) между бозонами и фермионами привело к разделению материи на вещество и поле;

2-я бифуркация: нарушение тождества между кварками и лептонами; симметрия Вселенной нарушается до симметрии, отвечающей сильным взаимодействиям и симметрии, отвечающей электрослабым взаимодействиям; нарушается также симметрия между веществом и антивеществом: частиц вещества рождается больше, и вся наша Вселенная оказывается построенной из вещества;

3-я бифуркация: спонтанное нарушение симметрии электрослабого взаимодействия, что обнаруживается нами в виде различия между электромагнитным и слабым взаимодействием.

4-я бифуркация: возникают протоны и нейтроны.

Дальнейшая эволюция Вселенной приводит к возникновению водорода, гелия, ионизованного газа, звезд, галактик и т.д.

Спонтанное нарушение симметрии вакуума выражается в том, что он отдает энергию на рождение микрообъектов, на приобретение их масс и зарядов, вследстве чего плотность энергии вакуума уменьшается.

Важным здесь является и то, что ход этой эволюции, выбор пути развития в моменты бифуркаций оказался именно таким, что в результате появилась именно такая Вселенная, какую мы наблюдаем, т.е. Вселенная, в которой оказалась возможной жизнь нашего типа и появление самого наблюдателя (т.н. антропныйпринцип).

Асимметрия и жизнь. Открытие киральной чистоты молекул биогенного происхождения проливает новый свет на возникновение жизни на Земле, которое могло быть вызвано спонтанным нарушением существующей до того зеркальной симметрии. Факторами возникновения асимметрии могли быть радиация, температура, давление, воздействие электромагнитных полей и др. Возможно, что жизнь на Земле зародилась в виде структур, схожих с генами современных организмов. Это мог быть акт самоорганизации материи в виде скачка, а не постепенной эволюции. В связи с этим говорят о Большом Биологическом Взрыве.

Исследования показывают, что в ходе развития жизни асимметрия все больше и больше вытесняет симметрию из биологических и химических процессов. Внешне симметричные полушария головного мозга различаются по своим функциям. Явно асимметричным признаком является разделение полов – достаточно «позднее приобретение» эволюции, причем каждый пол вносит в процесс воспроизведения свою генетическую информацию. Симметрия и асимметрия живого проявляются и в важнейших факторах эволюции. Так в устойчивости видов (наследственность) проявляется симметрия, а в их изменчивости – асимметрия

Тема 2.02. Эволюция представлений о пространстве и времени.

Общая теория относительности

Пространство и время Аристотеля.

ПРОСТРАНСТВО. Аристотель отрицал существование пустого пространства, связывая пространство, время и движение. Атомисты 18-19 вв. наоборот, признавали атомы и пустое пространство, в котором атомы движутся. Время. С этой категорией Аристотель связывает множество загадок. В каком смысле существует время? Да и существует ли оно. Ведь одна часть его в прошлом, другая - в будущем, всякое настоящее можно бесконечно сужать, так что от него непрерывн отходят прошлое и будущее, и если время существует, как же оно может состоять из несуществующих частей? (IV, 10, с. 76).
Парадоксально также взаимоотношение времени и движения. Время не существует без движения, но оно не есть движение. Время не есть движение, потому что время равномерно, движения же неравномерны, а если и равномерны, то одна равномерность более медленная, другая - более быстрая. Поэтому 'время - мера движения' (IV, 12, с. 82). Но парадокс в том, что само время измеряется движением, оторое есть мера времени. Итак, время - мера движения, а движение - мера времени. Выход из этого парадокса в том, что мерой времени является не всякое движение, а движение небесной сферы. Это равномерное круговое движение есть 'круг времени' (IV, 14, с. 87).
Если время - мера движения, то это предполагает число, ибо там, где есть мера, есть и число, число же должно кем-то считаться, поэтому время без души существовать не может, а если и может, то лишь потенциально, поскольку в объективных движениях есть 'прежде' и 'после'. Остается, однако, неясным, что это за душа. Ведь у Аристотеля нет космической души Платона, которая как раз и считает движение небесной сферы, порождая время. Данное место из Аристотеля - явный пережиток платонизма, до конца не изжитый великим аналитиком. Вместе с тем Аристотель правильно замечает, что время - причина возникновения и гибели лишь по совпадению, само время ничего не производит и не губит, но все возникает и погибает во времени.

КОСМОЛОГИЯ АРИСТОТЕЛЯ
Учение Аристотеля о природе, о бесконечности, пространстве, времени, движении применяется им к построению картины мира - космологии. Аристотель увековечил геоцентризм, признав, правда, шарообразность Земли, конечность и замкнутость космоса в пространстве (но не во времени), отрицание материального единства мира. Аристотель учил не только о местах тел как границах объемлющих их других тел, но и об естественных местах тел, благодаря чему он пытался объяснить движение тяжелого всегда вниз, а легкого - всегда вверх. Земля находится в центре мира, потому что естественное место тяжелого именно там, тяжелое, падая к центру, совершает движение по природе, а будучи поднято, тяжелое претерпевает насильственное движение. Применительно к форме Земли это означает, что, поскольку, находясь в центре, Земля занимает свое естественное место и не подвергается никакому воздействию со стороны сферичной Вселенной, которое сильнее действовало бы на одну сторону Земли, чем на другую, она должна быть шаровидной. Огонь поднимается вверх, потому что его естественное место вверху. Итак, универсум пространственно неоднороден, пространство пространству рознь, тела и пространство существенно связаны. При желании здесь можно найти предвосхищение общей теории относительности, но сходство чисто внешнее. Так или иначе мы уже сказали об естественных местах, о движении по природе, естественном, и движении против природы, насильственном,- это важные моменты космологии Аристотеля. Понятия пространства и времени находятся в непосредственной связи с движением. Аристотель не признавал пустоты, а движение понимал как взаимную смену мест.

Аристотель начинает анализ с общего вопроса осуществовании времени, затем трансформирует его в вопрос осуществовании делимого времени. Дальнейший анализ времениведётся Аристотелем уже на физическом уровне, где основноевнимание он уделяет взаимосвязи времени и движения. Аристотельпоказывает. что время немыслимо, не существует без движения, нооно не есть и само движение. В такой модели времени реализована реляционная концепция.Измерить время и выбрать единицы его измерения можно с помощью любого периодического движения, но, для того чтобы полученная величина была универсальной, необходимо использовать движение с максимальной скоростью.В современной физике это скорость света, в античной и средневековойфилософии - скорость движения небесной сферы. Пространство для Аристотеля выступает в качестве некоегоотношения предметов материального мира, оно понимается какобъективная категория, как свойство природных вещей. Механика Аристотеля функционировала лишь в его моделимира. Она была построена на очевидных явлениях земного мира. Ноэто лишь один из уровней космоса Аристотеля. Егокосмологическая модель функционировала в конечном неоднородномпространстве, центр которого совпадал с центром Земли. Космос былразделен на земной и небесный уровни. Земной состоит из четырёх стихий- земли, воды, воздуха и огня; небесный - из эфирных тел, пребывающих в бесконечном круговом движении.Эта модель просуществовала около двух тысячелетий.

трехмерным (положение любой точки можно описать тремя координатами),
непрерывным,
бесконечным,
однородным (свойства пространства одинаковы в любой точке),
изотропным (свойства пространства не зависят от направления).

Абсолютное и относительное пространство и время Ньютона Ньютон рассматривал два вида пространства:

· относительное, с которым люди знакомятся путем измерения пространственных отношения между телами;

· абсолютное, которое по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было и внешнему и остается всегда одинаковым и неподвижным; т.е. абсолютное пространство – это пустое вместилище тел, оно не связано со временем, и его свойства не зависят от наличия или отсутствия в нем материальных объектов. Впоследствии А. Эйнштейн, анализируя понятия абсолютного пространства и абсолютного времени, писал: “Если бы материя исчезла, то осталось бы только пространство и время (своего рода сцена, на которой разыгрываются физические явления)”. В этом случае пространство и время не содержат никаких особых “меток”, от которых можно было бы вести отсчет и ответить на вопросы “Где?” и “Когда?” Поэтому для изучения в них материальных объектов необходимо вводить систему отсчета (систему координат и часы). Система отсчета, жестко связанная с абсолютным пространством, называется инерциальной.

Ньютон рассматривал два вида времени, аналогично пространству: относительное и абсолютное. Относительное время люди познают в процессе измерений, а абсолютное (истинное, математическое время) само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Таким образом, и время у Ньютона, аналогично пространству – пустое вместилище событий, не зависящее ни от чего. Время течет в одном направлении – от прошлого к будущему. Понятия пространства и времени вводятся Ньютоном на начальном уровне изложения, а затем получают своё физическое содержание с помощью аксиом через законы движения. Однако они предшествуют аксиомам, так как служат условием для реализации аксиом: законы движения классической механики справедливы в инерциальных системах отсчёта, которые определяются как системы, движущиеся инерциально по отношению к абсолютному пространству и времени. У Ньютона абсолютное пространство и время являются ареной движения физических объектов.

Мировой эфир После того, как физики пришли к выводу о волновой природесвета возникло понятие эфира - среды в которой светраспространяется. Каждая частица эфира могла быть представленакак источник вторичных волн, и можно было объяснить огромнуюскорость света огромной твёрдостью и упругостью частиц эфира.Иными словами эфир был материализацией Ньютоновскогоабсолютного пространства. Но это шло в разрез с основнымиположениями доктрины Ньютона о пространстве. Инвариантность скорости света Революция в физике началась открытием Рёмера - выяснилось,что скорость света конечна и равна примерно 300'000 км/с. В1728 году Брэдри открыл явление звёздной аберрации. На основеэтих открытий было установлено, что скорость света не зависитот движения источника и/или приёмника ). Опыт Майкельсона - Морли О.Френель показал, что эфир может частично увлекатьсядвижущимися телами, однако, опыт Майкельсона-Морли(1881 г.)полностью это опроверг. Единство пространства и времени, как формы существования движущейся материи в современной научной картине мира. Г.Минковский показал органическую взаимосвязь пространства и времени, которые оказались компонентами единого четырёхмерногоконтинуума. Разделение на пространство и время не имеет смысла.

Тема 2.03. Специальная теория относительности