3) Закон сохранения энергии есть следствие однородности времени. Величина энергии системы не зависит от выбора начала отсчёта во времени (можно сдвигать как в прошлое, так и в будущее).

Закон сохранения энергии (закон Майера) — фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) системы сохраняется во времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть бесследно, она может только переходить из одной формы в другую.

В теореме Нётер рассматривается пространство и время классической механики, подчиняющееся геометрии Евклида. Подразумеваются изолированные системы отсчёта.

Понятие асимметрии.

Противоположным симметрии понятием является понятие асимметрии, которое отражает существующее в объективном мире нарушение порядка, равновесия, относительной устойчивости, пропорциональности и соразмерности между отдельными частями целого, связанное с изменением, развитием и организационной перестройкой. Уже отсюда следует, что асимметрия может рассматриваться как источник развития, эволюции, образования нового.

Формы симметрии являются одновременно и формами асимметрии. Так геометрические асимметрии выражают неоднородность пространства – времени, анизотропность пространства и т.д. Динамические асимметрии проявляются в различиях между протонами и нейтронами в электромагнитных взаимодействиях, различие между частицами и античастицами (по электрическому, барионному зарядам) и т.д.

Довольно загадочным является тот факт, что в этом симметричном, мире несимметричность не только существует, но и играет весьма важную роль. Все симметричное в природе считают отражением фундаментальных качеств мира, а несимметричное — игрой случая.

Оказывается, человеческое лицо не совсем симметрично. Некоторые отклонения от стандарта и мертвой геометрии делают лицо гораздо более выразительным. Австралийский врач Д. С. Хейес объяснил, например, улыбку Моны Лизы (Джаконды) оригинальной несимметричностью ее лица.

Откуда же взялась эта неправильность в мире, полностью, казалось бы, основанном на симметрии? Прищур глаз или непрямолинейность носа еще могут быть объяснены случайными причинами, ну, а разница между руками или полушариями головного мозга?

«Праволапость» присуща не только людям, но и некоторым животным. «Правши» и «левши» обнаружены и в мире растений. Могут быть левыми и правыми листья, цветы, иголки и даже корни. Оказалось, что они обладают разными качествами. Селекционеры заметили, что несимметричные растения более жизнеспособны, и вывели новые урожайные морозоустойчивые сорта.

Внешне симметричные полушария головного мозга различаются по своим функциям: левое полушарие отвечает за логические и абстрактно-рациональные способности, а левое – за чувственно-образное восприятие. 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.

Факторами возникновения асимметрии могли быть радиация, температура, давление, воздействие электромагнитных полей и др.

НАРУШЕНИЯ СИММЕТРИИ. Наиболее важным нарушением симметрии является СПОНТАННОЕ НАРУШЕНИЕ. Оно заключатся в том, что в системе, описываемой симметричными законами и удовлетворяющей симметричным начальным условиям, возникают несимметричные конечные состояния. Нарушения симметрии происходят тогда, когда симметричные состояния оказываются неустойчивыми и под воздействием малых возмущений переходят в энергетически более выгодные несимметричные состояния.

Например, когда в резервуаре равномерно распределены молекулы воды, она выглядит одинаковой вне зависимости от того, под каким углом на неё смотреть (то есть имеет место симметрия). При уменьшении температуры происходит уменьшение симметрии, которую проявляют молекулы воды. В то время как жидкая вода выглядит ещё одинаково под любым углом наблюдения, демонстрируя симметрию относительно вращений, твёрдый лёд выглядит совершенно иначе. Он обладает кристаллической структурой, то есть он, как и любой кристалл, будет выглядеть по-разному при наблюдении под разными углами.

Любой фазовый переход приводит к явному уменьшению симметрии.

Подобные переходы мы можем наблюдать в эволюции Вселенной, что привело к её асимметричной форме.

Так современное видение эволюции Вселенной основано на идее о спонтанном нарушении симметрии исходного вакуума. Под исходным вакуумом понимают состояние материи до Большого Взрыва, когда вся материя была представлена физическим вакуумом. Спонтанное нарушение симметрии означает, что при определенных макроусловиях фундаментальные симметрии оказываются в состоянии неустойчивости, а платой за устойчивое состояние является асимметричность вакуума.

В качестве одного из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной, рассмотренный нами ранее, включает инфляционную стадию - раздувание вакуума, обладающего огромной энергией. Такой вакуум обладает стремлением к гравитационному отталкиванию, обеспечивающему его расширение. Вакуум представляет собой симметричное, но энергетически невыгодное состояние. 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 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.

Другими словами, исходные законы физики максимально симметричны, а наблюдаемые асимметрии связаны с тем, что мы существуем в мире со спонтанно нарушенными симметриями.

Лекция № 16. Химические концепции.