23. Принципы инвариантности, относительности и дополнительности в естествознании

Принцип симметрии(инвариантности) основан на изначальных представлениях об однородности и изотропности пространства. Предполагает инвариантность природных процессов к преобразованиям симметрии. Основываясь на принципе симметрии, Эмми Нетер показала, что основополагающие физические законы сохранения энергии и импульса (количества движения) являются следствием однородности и изотропности пространства.

Принцип симметрии использует интуитивное представление о полном равноправии правого и левого. Тем более удивительной должна показаться вам “левая” ориентированность живой природы. Вам, по-видимому, известно, что молекулы многих природных соединений закручены наподобие пружины. Такую закрученную структуру имеет, например, сахар или входящий в ваши организмы холестерин. Спиральную структуру имеют многие ферменты растительного и животного происхождения. Если получать такие соединения путем химического синтеза, то в полном соответствии с принципом симметрии получается примерно одинаковое количество молекул, закрученных по правой  и по левой спирали. Так вот, все живое на нашей планете состоит из молекул, закрученных по левой спирали. Обратите внимание, что и сердце у вас смещено влево, а не вправо. Почему это так, науке еще предстоит выяснить. Пока же отметим, что принцип симметрии, сколь бы соблазнительно очевидным он ни выглядел, является весьма и весьма ограниченным.

Еще более ограниченным, хотя от того и не менее плодотворным является принцип подобия. Согласно этому принципу после известного преобразования уравнения, описывающие подобные системы, оказываются одинаковыми.  Возьмем, к примеру, так называемые малые колебания. Оказывается, что после некоторых математических преобразований колебание груза, подвешенного на ниточке, и электрического тока в колебательном контуре могут быть описаны одним и тем же уравнением. Принцип подобия удается применить, увы, не всегда. Однако, если в процессе своей практической деятельности вы сумели обнаружить подобие между какими-то группами явлений, — считайте, что успех вам обеспечен.

Принцип двойственности(дополнительности) предписывает нам при описании чего бы то ни было одновременно рассматривать две взаимоисключающие стороны. В зависимости от обстоятельств более существенной может оказаться одна из них. В других обстоятельствах важнее окажется другая. Если, пытаясь решить какую-нибудь задачу, вы встретились с непреодолимыми трудностями — попробуйте подход, основанный на альтернативных представлениях. Весьма вероятно, что он окажется удачным.

Кто из вас скажет, что такое свет? В школе вам объясняли, что это электромагнитная волна. Это представление принято в классической парадигме и в общем неплохо описывает свойство света. Однако, как вы знаете, свет состоит из отдельных частиц — фотонов. Без этого представления невозможно объяснить фотоэффект, эффект Комптона и многое другое. Так что же такое свет — это волна или поток частиц? При изучении свойств света допустима и та и другая абстракция. Согласно принципу двойственности избежать ошибок в описании возможно, проводя и то и другое описание параллельно

Согласно принципу относительности не существует абсолютного движения. А следовательно, не существует и абсолютного пространства, абсолютного времени и т. п. Этот принцип подразумевает, что протекание природных процессов не зависит от того, какую точку зрения занимает наблюдатель, их описывающий. Был выдвинут Альбертом Эйнштейном в качестве одной из основ частной теории относительности. Оспаривался многими учеными. В настоящее время прочно вошел в инертное ядро современной научной парадигмы.

Прямым следствием принципа относительности является принцип инвариантности законов природы к преобразованиям системы отсчета, в которой они были сформулированы. Принцип инвариантности утверждает, что вид основных уравнений, описывающих природные явления, не зависит от преобразования координат и времени, входящих в эти уравнения.