2.6.2. Принципы симметрии и законы сохранения

Что такое симметрия? Слово это греческое и переводится как «соразмерность, пропорциональность, одинаковость в расположении частей». Часто проводятся параллели: симметрия и уравновешенность, симметрия и гармония, симметрия и совершенство. Согласно современным представлениям, симметрию можно определить примерно так: «Симметричным называется такой предмет, который можно как-то изменять, получая в результате то же, с чего начали» Таким образом, симметрия предполагает неизменность объекта (каких-то свойств объекта) по отношению к каким-нибудь преобразованиям, каким-нибудь операциям, выполняемым над объектом.

Молекулы, из которых построены живые организмы, зеркально асимметричны, т.е. киральны. – от греческого «кир», что означает «рука». Специфика живой материи – киральная чистота молекул.

Возникновение жизни обусловлено нарушением существовавшей до того зеркальной симметрии, образованием кирально чистых молекул, в виде Большого своеобразного биологического взрыва. Это была бифуркация, акт самоорганизации материи.

Понятие симметрии имеет определенную «структуру» состоящую из трех факторов: объект или явление, симметрия которых рассматривается; изменение (преобразование), по отношению к которому рассматривается симметрия; инвариантность (неизменность, сохранение) каких-то свойств объекта, выражающая рассматриваемую симметрию. Инвариантность существует не сама по себе, не вообще, а лишь по отношению к определенным преобразованиям. С другой стороны, изменения (преобразования) представляют интерес постольку, поскольку что-то при этом сохраняется. Иными словами, без изменений не имеет смысла рассматривать сохранение, равно как без сохранения исчезает интерес к изменениям. Симметрия выражает сохранение чего-то при каких-то изменениях или, иначе, сохранение чего-то, несмотря на изменения.

Необходимо отметить взаимное влияние друг на друга одновременно происходящих необратимых процессов. Существует принцип симметрии Кюри, который гласит: «Если условия, однозначно определяющие какой-либо эффект, обладают некоторой симметрией, то результат их действия не нарушит эту симметрию». Поэтому формально все неравновесные процессы разделяют на скалярные (химические реакции), векторные (теплопроводность, диффузия) и тензорные (вязкое трение). В соответствии с принципом симметрии величины разных размерностей не могут быть связаны друг с другом. Так скалярная величина (химическое сродство) не может вызвать векторный поток (теплопроводность).

«Закон есть идентичное в явлениях». Предположим, что берем провод с некоторым определенным сопротивлением, прикладываем электрическое напряжение и наблюдаем явление – по проводнику течет ток. Можно многократно наблюдать данное явление – с разными проводами, сопротивлениями, гальваническими элементами. И всякий раз будет иметь место нечто идентичное, нечто инвариантное – это нечто выражается законом Ома: I = V/R. Таким образом, в самом понятии закона заложена симметрия. Каковы свойства симметрии физических законов?

1) Симметрия по отношению к переносам во времени означает, что законы природы со временем не меняются. Симметрия физических законов относительно переносов во времени означает однородность времени, то есть все моменты времени физически равнозначны, любой из них может быть выбран в качестве начала отсчета.

2) Симметрия по отношению к переносам в пространстве означает, что законы природы не зависят от выбора места - они одинаковы в Москве и Вашингтоне. Имея в виду симметрию физических законов, говорят об однородности пространства, т.е. физической равнозначности всех точек пространства.

3) Симметрия по отношению к поворотам в пространстве означает, что в пространстве нет физически выделенных направлений – пространство изотропно.

4) Симметрия по отношению к переходу из одной инерциальной системы отсчета в другую есть не что иное, как сформулированный А.Эйнштейном принцип относительности.

5) Симметрия относительно зеркального отражения означает, что физические законы не меняются при замене левого на правое, а правого на левое.

Немецкий математик Эмми Нетер доказала теорему, сущность которой заключается в утверждении, что различным симметриям физических законов соответствуют определенные законы сохранения. Связь между законами сохранения и симметрией законов природы можно сформулировать следующим образом.

Закон сохранения энергии есть следствие однородности времени или, иначе говоря, следствие симметрии законов природы по отношению к переносам во времени. Энергия – физическая величина, сохранение которой обусловлено указанной симметрией.

Закон сохранения импульса есть следствие однородности пространства (следствие симметрии законов природы по отношению к переносам в пространстве). Импульс – физическая величина, сохранение которой связано с однородностью пространства.

Закон сохранения момента импульса есть следствие изотропности пространства (следствие симметрии законов природы по отношению к поворотам) Момент импульса – величина, сохранение которой связано с изотропностью пространства.

Трехмерность пространства предопределяет векторную природу импульса и момента импульса; законы сохранения этих величин – векторные законы. Одномерность времени предопределяет скалярную природу энергии и соответствующего закона сохранения.

Законы природы неинвариантны относительно, например, преобразования подобия, т.е. преобразования, связанного с изменением пространственного масштаба. Геометрический принцип подобия не применим к физическим законам. И.Пригожин описал процесс самоорганизации в неравновесных системах через нарушение симметрии в точках бифуркации.