4.7. Принципы симметрии и асимметрии. Законы сохранения. Отличие живого от неживого

Вопросы симметрии и асимметрии, связь симметрии с законами сохранения, живым и неживым являются очень важными в современном естествознании.

Законы сохранения. С развитием естествознания закон сохранения и превращения энергии для тепловых процессов (первый закон термодинамики) приобрел более общий характер. Он оказался справедливым для любых процессов и любых видов энергии. Налицо важнейший закон природы, согласно которому энергопоток любой замкнутой материальной системы при всех происходящих в ней процессах остается величиной постоянной. Энергия в этом случае только может переходить из одного вида в другой. Если же система незамкнутая (подвергается внешним воздействиям), то изменение ее энергетики равно изменению энергии взаимодействующих с ней тел, взятому с противоположным знаком.

Закон сохранения и превращения энергии сыграл огромную роль в развитии термодинамики. Он стал первым принципом науки о тепловых процессах, а сама термодинамика превратилась в науку о законах превращения энергии из одного вида в другой. В самой электродинамике был открыт закон сохранения электрического заряда. Его формулировка гласит: электрический заряд замкнутой системы есть величина постоянная. Значение законов сохранения для науки и практической деятельности трудно переоценить. Например, с открытием закона сохранения и превращения энергии в науке была снята проблема вечного двигателя.

Одной из важнейших особенностей действия законов сохранения оказалась их связь с симметрией. В общем случае симметричность выражает степень упорядоченности какой-либо системы или объекта. Например, круг более упорядочен и более симметричен, чем квадрат. В свою очередь квадрат более симметричен, чем прямоугольник. Оказывается, что в более узком смысле симметрия – это неизменность (инвариантность) каких-либо свойств и характеристик объекта по отношению к определенным преобразованиям (операциям) над ними. Например, окружность симметрична относительно любой прямой (оси симметрии), лежащей в ее плоскости и проходящей через ее центр, она симметрична и относительно центра 0 (рис. 1).

Рис. 1.

Здесь операциями симметрии становятся зеркальное отражение относительно оси и центральная симметрия относительно точки 0. Квадрат симметричен относительно центра 0 и относительно 4 осей, проходящих через центр квадрата и лежащих в его плоскости.

Понятие симметрии применимо к любому объекту, в том числе и к физическому закону. Согласно принципу относительности Эйнштейна, все теоретические положения в физике имеют общий вид в любых инерциальных системах отсчета. Это означает, что они симметричны (инвариантны) относительно перехода от одной инерциальной системы у другой. Поскольку есть разные способы таких переходов, то, следовательно, существуют различные виды симметрии, каждому из которых должен соответствовать свой закон сохранения.

Переход от одной инерциальной системы к другой можно осуществлять следующими преобразованиями (способами):

1. Сдвиг начала координат. Это связано с физической эквивалентностью всех точек пространства, т.е. с его однородностью. В этом случае говорят о симметрии относительно переносов в пространстве.

2. Поворот тройки осей координат. Эта возможность обусловлена одинаковостью свойств пространства по всем направлениям, т.е. изотропностью пространства, и соответственно симметрии относительно поворотов.

3. Сдвиг начала хронологического отчета (симметрия относительно переноса во времени). Это связано с равномерным течением времени во всех инерциальных системах отчета. Современная физика установила равномерность течения по хронологии с точностью 10^-14 с на протяжении нескольких миллионов лет, а физические явления функционируют одинаково независимо от времени их начала.

4. Переход от покоящейся системы к системе, движущейся равномерно и прямолинейно. Это возможно, потому что такие системы эквивалентны.

Следует заметить, что физические законы не являются симметричными относительно вращающихся систем отчета. Оборотное состояние замкнутой системы отчета можно охарактеризовать разными способами (действие центробежных сил инерции, изменение плоскости качающегося маятника и др.), которые не являются симметричными относительно масштабных преобразований систем (преобразования подобия). Поэтому законы макромира нельзя автоматически переносить на микромир и мегамир.

Вышеописанные четыре вида симметрии являются универсальными. Это означает, что все законы природы относительно их инварианты с большей степенью точности, а соответствующие им законы сохранения становятся фундаментальными. Ими являются как законы сохранения импульса, являющиеся следствием однородности пространства, так и закон сохранения момента импульса в виде следствия изотропности пространства. Закон сохранения энергии связан с однородностью времени.

Четвертый вид симметрии логично приводит к закону сохранения скорости центра масс. Из закона другого сохранения электрического заряда вытекает устойчивость электрона – самой мелкой фундаментальной заряженной частицы, способной существовать в свободном состоянии. (По современным данным время жизни электрона не менее 10¹⁹ лет.

Отличие живого от неживого. Современное естествознание привело человечество еще к одному очень важному открытию, связанному с симметрией, то есть отличию живого от неживого. Исследования показали, что «живые молекулы от неживых» отличаются зеркальной симметрией. Причем неживые молекулы могут быть как зеркально симметричны, так и зеркально асимметричны, как будто левая и правая перчатка. Свойство зеркальной асимметрии молекул называется киральностью.

Неживые киральные молекулы в природе встречаются и в «левом» и в «правом» варианте одинаково часто, т.е. они кирально нечистые. Живые молекулы могут быть только одной ориентации – «левой» или «правой», т.е. кирально чистые. Например, молекула ДНК имеет вид спирали, и эта спираль всегда правая. Следовательно, важнейшая способность живых организмов состоит в том, чтобы из симметричных и кирально нечистых молекул окружающей среды создавать кирально чистые молекулы.

По современным представлениям именно киральность молекул определяет границу между живой и неживой природой. В связи с этим возникновение жизни на Земле могло быть объяснено спонтанным нарушением существующей до того зеркальной симметрии. Факторами возникновения асимметрии могла быть радиация, температура, давление и др. Возможно, жизнь на Земле в этом случае зародилась в виде структуры, схожей с генами современных организмов. Это, вероятно, мог быть акт самоорганизации материи в виде скачка, а не эволюции. В связи с этим логично говорить о Большом Биологическом Взрыве. Оказывается, в ходе развития жизни асимметрия все чаще вытесняет симметрию из биологических и химических процессов.

Симметрия и асимметрия в существовании живых организмов тесно взаимосвязаны. Так человек, хотя и внешне симметричен, имеет ряд парных симметричных органов, но внутреннее его строение асимметрично. Внешне симметричные полушария головного мозга резко различаются по своим функциям. Как видим, разделение полов – явно асимметричный признак. Каждый пол вносит в процесс самовоспроизведения свою генетическую информацию. В устойчивости видов (наследственность) проявляется симметрия, в их изменчивости – асимметрия. Таким образом, симметрия и асимметрия тесно связаны между собой в живой природе.

Глава V