Проявление симметрии в различных формах материи

| Категория реферата: Рефераты по естествознанию
| Теги реферата: контрольная 3, реферат по дисциплине
| Добавил(а) на сайт: Horoshavcev.

1 Симметрия в механике

Пьер Кюри пришел к симметрии физических явлений от симметрии кристаллов
(геометрических фигур) через симметрию материальных фигур. Это принесло важные результаты при описании физических свойств кристаллов и обещает большие успехи в других областях физики.

Но работы Пьера Кюри не оказали влияния на развитие идеи симметрии в физике. Причины этого странного парадокса, кроме указанных ранее
(кристаллографичность работ Кюри, краткость, если не конспективность их изложения), состоит еще и в том, что они появились слишком поздно, тогда, когда физика уже накопила большой опыт несколько иного подхода к симметрии физических явлений, который связан с развитием механики в XVII—XIX веках.

В то время механика была фактически всей физикой. Самым главным считалось изучение движения и взаимодействия тел. Соответствующие законы, кажущиеся нам сейчас такими очевидными, потребовали колоссального труда нескольких поколений выдающихся ученых. Коперник, Кеплер, Галилей, Декарт,
Гюйгенс шаг за шагом двигались к пониманию истинных законов, управляющих движением материальных тел.

Окончательно эти законы были сформулированы Исааком Ньютоном
(1643—1727). Но поскольку движение совершается в пространстве и во времени, ему пришлось обобщить и сформулировать некие положения, постулирующие их свойства.

Ньютон считал, что существует абсолютное пространство, свободное и независимое от каких-либо тел. Это абсолютное пространство изотропно, то есть любые направления в нем одинаковы. Кроме того, оно однородно, так как любые две точки пространства ничем не отличаются друг от друга. Существует также абсолютное время, независимое от каких-либо процессов, текущее вечно и равномерно. Равномерность течения времени предполагает его однородность: скорость течения времени со временем не меняется.

1 Однородность пространства

Чтобы понять, какое отношение она имеет к механике, начнем с простого вопроса: почему камень падает вниз? Ответ: потому что на него действует сила тяжести. Иными словами, пространство вблизи земной поверхности физически неоднородно: все тела стремятся занять самые низкие положения, поближе к Земле.

Столь же неоднородно пространство вблизи Солнца: орбиты всех тел солнечной системы искривлены. Но вся Солнечная система как целое движется прямолинейно, по крайней мере, в течение миллионов лет отклонения от прямолинейности в ее движении не было.

Пространство, в котором она движется, свободно от тяготеющих тел, и здесь можно говорить об однородности. Иными словами, на солнечную систему как целое не действуют внешние силы Согласно второму закону Ньютона внешняя сила равна изменению импульса тела за единицу времени. (Импульсом системы тел называется их суммарная масса, умноженная да скорость центра инерции.
Он равен также векторной сумме импульсов всех тел системы. Вместо «импульс» часто говорят «количество движения», номы не будем пользоваться этим термином.) Когда результирующая внешняя сила, действующая на систему, равна нулю, импульс системы не изменяется со временем, т. е. сохраняется.

Мы не попытаемся подменить второй закон Ньютона рассуждением об однородности пространства. Наоборот, утверждается, что из второго закона
Ньютона следует прямолинейность и равномерность движения центра инерции системы тел в однородном пространстве. Никакие внутренние силы в системе не нарушают однородности пространства по отношению к системе как целому.
Поэтому действие внутренних сил оставляет импульс системы неизменным.

2 Изотропия пространства

Пространство обладает еще одним видом симметрии — относительно поворотов координатных систем. Эта идея давалась человечеству с большим трудом; ведь когда то думали, что Земля плоская, и вертикальное направление абсолютно.
То, что Земля — шар, стало известно образованным людям еще в древности. Для них вертикальное направление не было абсолютным, а менялось на земной поверхности от точки к точке. Но Земля в представлении большинства начитанных людей до эпохи Коперника была центром мироздания. Поэтому для них равноценными были не все направления в пространстве, а все прямые, проходящие через центр Земли. Там находилась особая, выделенная точка, центр симметрии Вселенной.

Открытие Коперника лишило Землю ее преимущественного положения. Центр
Земли для мыслящих людей перестал быть центром Вселенной. Чем же он физически выделен для нас? Очевидно, тем, что к нему направлена сила притяжения Земли. Но достаточно далеко от всех тяготеющих тел все точки пространства равноценны, равно как все прямые, проведенные через любую точку Вокруг любой прямой можно повернуть координатную систему на любой угол, и повернутая система будет во всех отношениях равноценна первоначальной.

Таким образом, мы сформулировали еще одно свойство симметрии пространства. Условимся о терминологии. Симметрию относительно поворотов будем называть изотропией, а относительно переносов — однородностью.

3 Однородность времени

Перейдем теперь к конкретным свойствам симметрии времени. Рассмотрим сначала симметрию относительно переноса вдоль любой прямой. Перенос в любом направлении можно разложить по трем взаимно перпендикулярным осям. Таким образом, пространство имеет группу симметрии относительно произвольных переносов по трем взаимно перпендикулярным направлениям (см. выше).

Время задается одной величиной, а не тремя, как точка в пространстве.
Насколько можно считать, что симметрия времени напоминает симметрию прямой относительно переносов, т. е. что их абстрактная группа симметрии одна и та же? Ведь 12 часов дня вчера и сегодня, или завтра, совсем не одно и то же для нас. Но симметрия — понятие относительное. Симметрия времени уже, чем симметрия бесконечной прямой, если рассматривать время во всех его аспектах, но тем не менее не исключена возможность, что время симметрично по отношению к одному определенному классу законов природы.

К этому классу принадлежат законы механики, которым подчинены движения тел в пространстве и во времени. Удобнее всего выбрать пример чисто механического движения, не осложненного силами трения или каким-либо иным трудно контролируемым влиянием внешней среды. Трение всегда сопровождается переходом движения к молекулам, составляющим тела, и поэтому сильно осложняет процесс механического движения.

Без трения, или почти без трения, движутся небесные тела (небольшое трение при их движении происходит от приливных волн, но мы отвлечемся от этого явления). Именно небесные тела послужили моделью Ньютону, когда он формулировал законы механики, потому что в астрономических явлениях они проявлялись в наименее осложненном виде. Обращение Земли вокруг Солнца совершается одинаково в течение десятков тысяч лет; если бы не влияли другие планеты и приливы и Солнце не теряло постепенно свою массу вследствие излучения, орбита Земли оставалась бы неизменной сколь угодно долго. Отсюда надо заключить, что время однородно, т. е. все его моменты равноценны, по крайней мере по отношению к чисто механическим явлениям.

Год в нашу эпоху и на варе человеческой истории равнялся Зб51/4 дня.
Следовательно, в качестве начальной даты летосчисления может быть взята любая. Законы небесной механики совершенно симметричны по отношению к любому выбору начального момента времени.

Поскольку пространство изотропно и однородно, то уравнения движения не меняют своего вида при изменении направления движения. Не меняют они своего вида и при смещении точки отсчёта начала движения в пространстве и во времени. Математически преобразования координат и времени, отвечающие таким изменениям, образуют группу. Эту группу часто называют группой Галилея-
Ньютона. Поэтому говорят, что уравнения движения классической механики инвариантны (не меняют своей формы) относительно группы Галилея-Ньютона.

Таким образом, в классической механике симметрия утратила наглядный геометрический смысл. Теперь она вступает в абстрактной форме как условие, при котором уравнение, описывающее тот или иной физический закон, не меняет своего вида. При этом сами условия должны образовывать группу в математическом смысле.

Симметрия в живой природе

Живой организм не имеет кристаллического строения в том смысле, что даже отдельные его органы не обладают пространственной решеткой.