I. Симметрия и асимметрия в различных физических проявлениях

Понятия симметриии противоположного ей объективного свойства природы – асимметрииявляются одними из фундаментальных в современном естествознании.

Симметрия в физике – это свойство физических законов, детально описывающих поведение систем, оставаться неизменными (инвариантными) при определённых преобразованиях, которым могут быть подвергнуты входящие в них величины.

Интуитивно симметрияв своих простых формах понятна любому человеку, и часто мы выделяем её как элемент прекрасного и совершенного.

Быть прекрасным, говорил Платон «значит быть симметричным и соразмерным».

Платон(428/427 – 347 гг. до н.э.) – древнегреческий философ-идеалист, ученик Сократа.

В известной мере симметрияотражает степень упорядоченности системы.

В основетермодинамики лежит различие между двумя типами процессов: обратимыми и необратимыми.

Обратимым называется процесс, который может идти как в прямом, так и в обратном направлении. И по возвращении системы в исходное состояние не происходит никаких изменений.

Р. Клаузиусом было установлено, что в обратимых процессах, некоторая физическая величина, названная им энтропией S, сохраняется.

Понятие энтропии позволяет отличать в случае изолированных систем, обратимые процессы (энтропия максимальна и постоянна) от необратимых процессов (энтропия возрастает dS > 0).

Благодаря работам австрийского физика Л. Больцмана это отличие было сведено с макроскопического уровня на микроскопический.

Точка зрения Больцмана означала, что любая изолированная система самопроизвольно эволюционирует в направлении забывания начальных условий, в направлении перехода в макроскопическое состояние с максимальной W, соответствующее состоянию хаоса и максимальной симметрии.

W – вероятность макросостояния (термодинамическая вероятность макросостояния).

По Больцману

S = klnW.

Всякое макросостояние может быть осуществлено различными способами, каждому из которых соответствует некоторое микросостояние системы.

Число различных микросостояний, соответствующих данному макросостоянию, называется статистическим весом W, или термодинамической вероятностью макросостояния.

Поэтому можно связать изменение энтропии как характеристики упорядочения с симметрией: чем более организовано вещество, тем выше симметрия и тем меньше энтропия.

Одно из определений понятий симметрии и асимметрии дал В. Готт:

Симметрия – понятие, отражающее существующий в природе порядок, пропорциональность и соразмерность между элементами какой-либо системы или объекта природы, упорядоченность, равновесие системы, устойчивость, т.е., если хотите, некий элемент гармонии.

Асимметрия – понятие противоположное симметрии, отражающее разупорядочение системы, нарушение равновесия, что связано с изменением, развитием системы.

Из соображений симметрии – асимметрии приходят к выводу, что развивающаяся динамическая система должна быть неравновесной и несимметричной.

Современная теоретическая физика дает еще один чрезвычайно важный результат, свидетельствующий о том, что все многообразие физического мира проявлено вследствие нарушений определенных видов симметрии.

Симметрияпроявляется не только в понимании геометрического строения тел в природе, но и в ряде областей человеческой деятельности.

Симметрия существует в музыке, хореографии, в зеркальной симметрии текста, архитектуре, живописи, математике, логике, строении живых организмов и растений и др.

В.И. Вернадский справедливо отмечал, что:

«Новым в науке явилось не выявление принципа симметрии, а выявление его всеобщности».

Проблемы симметрии – асимметрии оказываются тесно связанными между собой глубже, чем это кажется, исходя из бинарной структуры этих понятий (да – нет).

Асимметрияотносительно масштабных преобразований при изменении величин физических систем связана с тем, что порядок размеров атомов имеет одинаковое для всей нашей Вселенной значение (~10^-10 м).

Если уменьшить масштабы размеров, например, изделий микроэлектроники, в том числе и плёночных, то характер поведения электронов в них изменится (возникнут размерные эффекты), т.е. может появиться асимметричностьпроцессов при таких размерах. Нанотехнологии (~10^-9 м).

Фундаментальные физические законы описывают объекты независимо от их местонахождения.

Например, с помощью законов сохранения энергии и импульса можно описать движение не только тел на Земле, но и взаимодействие элементарных частиц, движение планет, звезд и т. п.

Атомы везде одинаковы – на Земле и в космическом пространстве.

Все это означает, что фундаментальные законы универсальны – они применимы к объектам всего мира, доступны нашим наблюдениям с помощью самых совершенных и чувствительных приборов.

Свойства пространства – времени и законы сохранения

Для понимания законов природных явлений и процессов весьма важен принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени, т. е. параллельных переносов начал координат и отсчета времени.

Он формулируется так:

«Смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов».

Инвариантность структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований, называется симметрией.

Из принципа инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени следует симметрия пространства и времени, называемая однородностью, соответственно пространства и времени.

С учетом симметрии пространства и времени в результате решения уравнения общей теории относительности (ОТО) российский математик и геофизик А. А. Фридман (1888 – 1925) предсказал расширение Вселенной.

Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого, ее физические свойства и законы движения не изменяются, иными словами, не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета.