19. Принципы симметрии. Понятие симметрии
Симметрия (греч. symmetria – соразмерность) – однородность, пропорциональность, гармония, инвариантность структуры материального объекта относительно его преобразований. Другое определение симметрии: Симметрия означает соразмерность, пропорциональность, одинаковость в расположении частей.
В науку симметрия вошла в 30-х гг. XIX в. в связи с открытием И.Ф. Гесселем (1796–1872) 32 кристаллографических классов и появлением теории групп как области чистой математики.
Симметрия кристаллов связана с симметрией частиц, которые его образуют. Симметрия в мире атомов и молекул – очень распространенное явление. Например, молекулы воды Н2О, оксида углерода (IV) СО2 обладают зеркальной симметрией, молекула метана СН4 – поворотной симметрией. Еще Дж. Дальтон, английский химик-атомист, физик, считал, что атомы в химическом соединении должны располагаться симметрично. И многие другие ученые полагали, что одинаковые по своим свойствам части химических молекул одинаково симметрично расположены. Эти взгляды нашли отражение в способе написания формул, особенно формул органических соединений.
По данным современной науки, простейшие организмы появились в водах Мирового океана. Они были взвешены в воде, любое направление для них было безразличным. Поэтому можно допустить, что они принимали форму шара. Такую форму имеют капельки жира, взвешенные в воде. По мере развития и усложнения под действием силы тяжести организмы приспособились различать «верх» и «низ» и потеряли симметрию шара. Одни из них (преимущественно те живые организмы, которые ведут «оседлый» образ жизни) приобрели поворотную симметрию (медузы, морские звезды и др.). Те животные, которые передвигаются в каком-то избранном направлении, приобрели двустороннюю (зеркальную) симметрию. Для этих животных свойственно симметричное расположение одноименных частей тела, что помогает им сохранять равновесие при передвижении, а значит, добывать себе пищу и таким образом существовать. Следовательно, симметрия у живых организмов служит не для красоты. Она, прежде всего, связана с приспособлением их к окружающему миру, с их жизнестойкостью.
|
|
Дальтон Дж. (1766–1844) | Пастер Л. (1822–1895) |
Закон естественного отбора, закон всемирного тяготения способствовали тому, что живые организмы, в частности ель, сосна и др. становятся прекрасными, Закон всемирного тяготения действует на Земле, на Солнце, в каждой точке Вселенной. Этот закон действовал в далеком прошлом, действует сейчас и будет действовать в будущем. Его действие от времени не зависит.
То же самое можно сказать и о других законах Природы. Все они симметричны по отношению к переносу в пространстве и времени. Симметрия живых организмов связана с симметрией законов Природы.
Они передаются из поколения в поколение матричным путем посредством молекул ДНК (рис. 9). Их можно представить в виде цепочки атомов, соединенных определенными химическими связями.
Время само по себе не способно изменить энергию какой-либо системы. Закон сохранения энергии есть следствие однородности времени. Закон сохранения импульса есть следствие однородности пространства. Наиболее общие законы Природы, характеризующие движение материи, связаны с симметрией пространства и времени. Можно сказать, что на симметрии держится мир.
Симметрия формы – проявление симметрии законов Природы, которые можно объяснить общими законами – законами сохранения, последние в свою очередь связаны с симметрией пространства – времени. Законы сохранения запрещают для замкнутой системы исчезновение энергии, массы вещества, импульса, момента импульса, изменение алгебраической суммы электрического заряда и др. Системы могут вести себя как угодно, но законы сохранения не могут быть нарушены, не может измениться в мире порядок вещей. Таким образом, законы сохранения вносят упорядоченность в поведение физических систем. За упорядоченностью форм, структур стоит более глубокий порядок, на котором основана вечность и несотворимость мира.
Рис. 9. Строение молекулы ДНК
Кристаллы наделены наибольшей величиной симметрии из всех реальных объектов, они блещут своей симметрией. Кристаллы – это симметричные тела, структура которых определяется периодическим повторением в трех измерениях элементарного атомного мотива (рис. 10).
С Рис. 10. Друзы горного хрусталя
Принцип симметрии является единственной основой, которая может объединить все разрозненные части огромного здания современной математики.
Шведский физик-теоретик Клейн Оскар Бенджамин (1894–1977) развил свою концепцию в физике и механике. Программа Клейна как задача поиска различных форм симметрии выходит за рамки не только геометрии, но и всей математики в целом, превращается в проблему поиска единого принципа для всего естествознания.
- 1. Естественнонаучная и гуманитарная культуры
- 2. Научный метод познания и его основные черты
- 3 Естествознание и его роль в культуре
- 8 Научная картина мира
- 10. Развитие представлений о материи
- Представление о материи в Античный период
- Эпоха Средневековья
- Эпоха Возрождения
- . Представления о материи и. Ньютона и м.В. Ломоносова
- Развитие представлений о материи в XIX веке
- 1.5.6. Кризис в физике на рубеже веков
- . Понятие «материи» в XX веке
- 12 Эволюция представлений о движении
- 1.6.1. Понятие «движение» и его развитие
- Формы движения материи и их свойства
- Типы движения материи
- 13. Развитие представлений о взаимодействии
- Основные характеристики взаимодействий
- 14. Хаос и порядок
- 4.1.2. Роль энтропии как меры хаоса
- 4.1.3. Порядок
- 4.1.4. Модели хаоса и порядка
- 16 Эволюция понятий «пространство и время» Понятие о пространстве, времени, материи
- Концепции пространства и времени
- Релятивистская концепция пространства и времени
- Сравнительные свойства пространства и времени
- 19. Принципы симметрии. Понятие симметрии
- 20. Законы сохранения
- 19. Принципы симметрии
- 3. Структурные уровни и системная организация материи
- 3.1. Системная организация материи
- 3.2. Структура материи
- 3.2.1. Структурные уровни организации материи
- Структурные уровни материи
- 3.3. Переход к гелиоцентрической системе
- 27. Организация материи на химическом уровне
- 3.4.1. Основные этапы развития химии
- 3.4.2. Зарождение современной химии
- 3.4.3. Периодическая система элементов
- 3.4.4. Создание атомно-молекулярной концепции
- 3.4.5. Модель атома н. Бора
- 3.4.6. Современное представление об атомно-молекулярном учении
- 3.4.7. Представления о химических связях
- 3.4.8. Основы химической термодинамики
- 3.4.9. Основы химической кинетики
- 4.2. Синергетика
- 4.2.1. Понятие синергетики
- 4.2.2. Связь синергетики с другими науками
- 4.2.3. Самоорганизующиеся системы
- 4.2.4. Основные свойства самоорганизующихся систем