19. Принципы симметрии

Пространственно-временные (геометрические или внешние).

Основная характерная черта физических законов – то, что они основаны на симметриях. Симметричным является объект, который в результате определенных изменений или преобразований остается неизменным, инвариантным.

Огромное значение законов сохранения и принципов симметрии состоит в том, что на них можно опираться при построении фундаментальных физических теорий, они демонстрируют единство материального мира.

Законы физики можно преобразовывать так, что при этом их структура остается неизменной, симметричной. Принципы симметрии долгое время существовали в неявном виде.

Среди пространственно-временных принципов симметрии можно выделить следующие:

1. Сдвиг системы отсчета не меняет физических законов, т.е. все точки пространства равноправны. Это означает однородность пространства.

2. Поворот системы отсчета пространственных координат оставляет физические законы неизменными, т.е. все свойства пространства одинаковы по всем направлениям, иными словами пространство – изотропно.

3. Сдвиг во времени не меняет физических законов, т.е. все моменты времени объективно равноправны. Время однородно. Это означает, что можно любой момент времени взять за начало отсчета.

Этот принцип означает закон сохранения энергии, который основан на симметрии относительно сдвигов во времени.

Период колебаний маятника «ходиков» не изменится, если отсчитать его в полдень или в полночь, т.е. законы физики не зависят от выбора начала отсчета времени.

Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Этот принцип относительности является основным постулатом специальной теории относительности (СТО) А. Эйнштейна.

В соответствии с принципом симметрии можно произвести переход в другую систему отсчета, движущуюся относительно данной системы с постоянной по величине и направлению скорости. Например, можно перейти из вагона поезда в машину, если уравнять их скорости.

4. Зеркальная симметрия природы – отражение пространства в зеркале – не меняет физических законов. Фундаментальные физические законы не меняются при обращении знака времени. Необратимость, существующая в макромире, имеет статистическое происхождение и связана с неравновесным состоянием Вселенной.

5. Замена всех частиц на античастицы не влияет на физические законы, не меняет характера процессов природы.

3. Структурные уровни и системная организация материи

3.1. Системная организация материи

В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход. Системность – характерная черта материальной действительности. Системой является то, что определенным образом связано между собой и подчинено соответствующим законам. В переводе с греческого система (systema) – это целое, составленное из частей, соеди­нение. Это множество закономерно связанных друг с другом элементов (предметов, явлений, взглядов, принципов, знаний и т.д.), представляющее собой определенное целостное образование, единство.

В первой половине ХХ века была создана общая теория систем. Основным ее автором является австрийский биолог и философ Людвиг фон Берталанфи (1901–1972).

Согласно общей теории систем все объекты Природы и общества являются системами. Системы бывают космические, физические, технические, биологические, социальные, экономические и др. Все многообразие природных объектов принято делить на микромир – атомы и их элементарные частицы, макромир – от молекул до материков и океанов и мегамир – космические объекты и их системные объединения. Живые системы относятся к макромиру. Системы являются открытыми, так как они имеют системы входа и система выхода (рис. 23).

Система – это совокупность элементов, связанных определенными отношениями и взаимодействующих по определенным законам композиции. Вся совокупность структурных и функциональных отношений и взаимодействий составляет организацию системы. Организация системы, как правило иерархична, то есть имеет несколько соподчиненных уровней. Живые объекты – типичные системы, имеющие структурную и функциональную упорядоченность, то есть определенную организацию и иерархию.

Системы бывают объективно существующими и теоретичес­кими, или концептуальными, т.е. существующими лишь в сознании человека. Система – это внутреннее или внешнее упорядоченное множество взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. Она фиксирует преобладание в мире организованности над хаотичны­ми изменениями. Все материальные объекты универсума облада­ют внутренне упорядоченной, системной организацией. Упорядо­ченность подразумевает наличие закономерных отношений между элементами системы, которое проявляется в виде законов струк­турной организации.

Рис. 23. Схема организации открытой системы

(по Баранцеву Р.Г., 2003)