Симметрия в природе

Министерство  образования и науки Российской Федерации 
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение  
высшего профессионального образования 
«Российский государственный профессионально-педагогический университет»

Институт  социологии и права

Кафедра физиологии и безопасности жизнедеятельности

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

 

По дисциплине: «Биология».

Тема:  «Симметрия в природе».

Вариант № 9.

 

 

 

 

Выполнила студентка

Проверилпреподаватель

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2012

 

 

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………………..3

Симметрия природы……………………………………………………………….5

Заключение………………………………………………………………………….9

Используемая  литература………………………………………………….………11

 

Введение.

 

Важнейшие достижения в физике элементарных частиц связаны с симметрией относительно преобразований некоторых параметров, характеризующих внутренние свойства частиц.

Так, в последние годы получили развитие суперсимметрические модели, обладающие симметрией нового типа, связывающие между собой фермионы и бозоны и постулирующие, что у каждой обычной частицы имеется "суперпартнер" с аналогичными свойствами (за исключением спина — вращения элементарной частицы или античастицы вокруг собственной оси, обусловливающего ее электромагнитное поле). Например, электроны, кварки, лептоны имеют суперпартнеров — сэлектроны, скварки. слептоны.  Но эта теория еще не подтверждена экспериментом.

Существует принцип симметрии  Кюри: если условия, однозначно определяющие какой-либо эффект, обладают некоторой симметрией, то результат их действий не нарушит ее. 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 не может вызвать векторную.

Суть методологического значения понятия симметрии наиболее ярко раскрывает высказывание Дж. Ньюмена (1903-1957): "Симметрия устанавливает забавное и удивительное родство между предметами, явлениями и теориями, внешне, казалось бы, ничем не связанными: земным магнетизмом, женской вуалью, поляризованным светом, естественным отбором, теорией групп, инвариантами и преобразованиями, ..., строением пространства, рисунками ваз, квантовой физикой, ... , лепестками цветов, интерференционной картиной рентгеновских лучей, делением клеток морских ежей,..., равновесными конфигурациями кристаллов, ..., теорией относительности, ...".

В широком понимании, симметричное означает хорошее соотношение пропорций, а симметрия — тот вид согласованности отдельных частей, который объединяет их в целое.

Симметрия имеет два значения:

- весьма пропорциональное, сбалансированное, способ согласования многих частей, объединяющий их в целое (следствие симметрии — законы сохранения классической физики);

- равновесие (по Аристотелю, это состояние характеризуется соотношением крайностей).

 

Симметрия природы.

 

Начало стройной симметрии заложила физика в теории кристаллов, что зафиксировано в работах И. Ф. Гесселя (1796 -1872) в 1830 г., Л. В. Гадолина (1828 - 1892) в 1867г., А. Шенфлиса (1853 - 1928) в 1890 г. Первоначально речь шла о геометрических преобразованиях системы: ее переносах и поворотах.

Фундаментальность значения дальнейшего  развития учения о симметрии в  том, что каждому непрерывному преобразованию отвечает соответствующий закон сохранения, который в последующем был распространен с механики и на квантовую физику.

Так, основной принцип современных калибровочных теорий фундаментальных взаимодействий природы состоит в том, что переносчиками взаимодействий выступают определенные сохраняющиеся величины, обладающие симметрией, определяющие динамику системы и тем самым позволяющие надеяться на осуществление создания теории "Великого объединения взаимодействий", включая теории гравитации.

Основным типам симметрии (С, Р, Т) были даны определения в предыдущем разделе, но симметрию С рассмотрим еще раз. Сильные электромагнитные взаимодействия инвариантны относительно операции зарядового сопряжения: замена всех частиц на соответствующие античастицы. Эта симметрия не является пространственной и рассматривается особо в связи с тем, что характеризует симметрию необычного вида — зарядовой четности, в которой нейтральная частица переходит сама в себя при зарядовой сопряженности.

Благодаря существованию СРТ- и  СР-симметрий как для сильных, так и электрослабых взаимодействий выполняется симметрия относительно обращения времени, то есть любому движению под действием этих сил соответствует  в Природе симметричное движение, при котором система проходит в обратном порядке все состояния что и в первоначальном движении, но с изменением на противоположные направлениями скоростей частиц, спинами, магнитными полями. Из Т-симметрии следуют соотношения между прямыми и обратными реакциями.

Именно симметрия, относительно перестановки одинаковых частиц, обосновывает принцип  неразличимости одинаковых частиц (см. разд. 3.9), то есть приводит к полной их тождественности. Связь спина и статистики является следствием релятивистсюй инвариантности теории и тесно связана с СРТ-теоремой. Под внутренними симметриямипонимают симметрии между частицами и полями с различными квантовыми числами. При этом различают глобальные и локальные симметрии.

Симметрия называется глобальной,если параметр преобразования не зависит от пространственно-временных координат точки, в которой рассматривается поле. Ее примером является инвариантность лагранжиана относительно калиброванных преобразований входящих в него полей. Эта инвариантность приводит к аддитивному закону сохранения заряда, причем не только электрического, но и барионного, лептонного, странности и т. д.

Локальные симметриисуществуют, когда параметры преобразований для глобальных симметрии можно рассматривать как произвольные функции пространственно-временных координат. Они позволяют построить теорию, в которой сохраняющиеся величины (заряды) выступают в качестве источников особых калибровочных полей, переносящих взаимодействие между частицами, обладающими соответствующими зарядами.

Динамическая симметриясистемы возникает, когда рассматривается преобразование, включающее переходы между состояниями симметрии с различными энергиями.

Наиболее разработана теория симметрии кристаллов. В ней под симметрией понимается их свойство совмещаться с собой при поворотах, отражениях, параллельных переносах либо при части или комбинации этих операций.      

Симметрия внешней формы(огранки) кристалла определяется симметрией его атомного, дискретного трехмерно-периодического строения, которая обусловливает также и симметрию физических свойств кристалла.

Симметрия кристаллов проявляется  не только в их структуре и свойствах в реальном трехмерном пространстве, но также и при описании энергетического спектра электронов кристалла (зонная теория), при анализе процессов дифракции: рентгеновских лучей нейтронов и электронов в кристаллах с использованием обратного пространства (обратная решетка) и т. п.

При образовании симметрии пространство не деформируется, а преобразуется как жесткое целое. Такие преобразования называют ортогональными, или изотермическими. Совокупность операций симметрии данного кристалла образует группу симметрии в смысле математической теории групп.

Зная группу симметрии кристаллов, можно указать возможность наличия или отсутствия в ней некоторых физических свойств, чем и занимается кристаллофизика.

В основе определения симметрии  лежит понятие равенства при преобразовании. Однако физически (и математически) объект может быть равен себе по одним признакам и не равен по другим. Например, распределение ядер и электронов в кристалле антиферромагнетика можно описать с помощью обычной пространственной симметрии, но если учесть распределение в нем магнитных моментов, то обычной, классической симметрии уже недостаточно. Кподобного рода обобщениям симметрии относятся антисимметрия и цветная симметрия. В антисимметрии в дополнение к трем пространственным переменным добавляется четвертая ±1, что можно истолковать как изменение знака (антиравна). Это так называемая обобщенная симметрия, используемая в описании, например, магнитных структур.

Другое обобщение симметрии  — симметрия подобия — будет определено, когда равенство частей фигуры заменяется их подобием ,криволинейная симметрия, статистическая симметрия, вводимая при описании структуры разупорядоченных кристаллов, твердых растворов, жидких кристаллов и т. п.

В физике элементарных частиц симметрия  широко используется в связи с идеей изотопической инвариантности, предложенной В. Гейзенбергом для описания взаимодействий протона и нейтрона. Считается, что изотопическая симметрия описывает точное свойство инвариантности сильных взаимодействий, хотя получаемые из нее соотношения в действительности всегда нарушаются на уровне точности порядка нескольких процентов.

Унитарная симметрия в качестве обобщения изотопической инвариантности впервые появилась в связи с моделью симметрии Сакаты, в которой все адроны считались составленными из трех основных электрических частиц — протона, нейтрона и d-гиперона.

Унитарная симметрия осуществляется с худшей точностью, чем изотопическая, но это не мешает получать ряд интересных соотношения между физическими  величинами (например, формула масс Гелл-Манна—Окубо, предсказавшая существование и массу Q-гиперона).

Еще одно приложение группы симметрии  к физике адронов — это цветовая симметрия. Согласно определению цветовой симметрии каждый кварк имеет три возможных состояния, различающихся по квантовому числу, названному цветом, а преобразование цветового состояния можно производить независимо в разных пространственно-временных точках. С этим связано существование глюонного поля, имеющего восемь цветовых состояний. Взаимодействие кварков с этим полем является микроскопической основой сильных взаимодействий. Оно описывается квантовой хромодинамикой— калибровочной квантовой теорией поля типа Янга—Миллса. Кроме того, цветовая симметрия не нарушается никакими известными в настоящее время взаимодействиями, а согласно теореме Нетер следует, что в стандартной модели сильного и электрослабого взаимодействий возникает сохранение барионного и лептонного чисел.

Заключение.

 

Симметрия— это категория, обозначающая процесс существования и становления тождественных объектов, в определенных условиях и в определенных отношениях между различными и противоположными состояниями явлений мира.

Это определение накладывает методологические требования: при изучении явления, события, состояния движущейся материи, прежде всего необходимо установить свойственные им различия и противоположности, затем уже раскрыть, что в нем есть тождественного и при каких условиях и в каких отношениях это тождественное возникает, существует и исчезает. Отсюда общие правила формирования гипотез: если установлено существование какого-то явления, состояния или каких-то их свойств и параметров, то необходимо предполагать и существование противоположных явлений, противоположных свойств и параметров; в свою очередь, необходимо далее постулировать, что между противоположными условиями в каких-то отношениях и условиях возникают и существуют тождественные моменты. В этих двух правилах выражается применение понятия симметрии в конкретных исследованиях.

Асимметрия — категория, обозначающая существование и становление в определенных условиях и отношениях различий и противоположностей внутри единства, тождества, цельности явлений мира.

Симметрия и асимметрия дополняют  друг друга, и искать их нужно одновременно.

История науки показывает, что симметрия  позволяет объяснить многие явления и предсказать существование новых свойств Природы.

В естествознании преобладают определения  категорий симметрии и асимметрии на основании перечисления определенных признаков. Например, симметрия определяется как совокупность

Свойства симметрии пространства и времени связывают и определяют и законы сохранения: с однородностью  времени связан закон сохранения энергии; с однородностью пространства — сохранения импульса, с изотропией — сохранения момента импульса.

 

Используемая литература.

 

Вейль Г. Симметрия. — М.: Наука, 1975.

Горохов В. Г. Концепции современного естествознания. -М: Инфра-М, 2000.

Горелов А. А. Концепции современного естествознания. -М.: Центр, 1997.

Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. — Новосибирск: ЮКЭА, 1997.

КомпанеецА. С. Симметрия в микро- и макромире. — М.: Наук