Свойства симметрии и законы сохранения

Симметрия в физике.

Принципы симметрии являются в  физике инструментом для отыскания  новых законов природы. К числу  симметрийных принципов относится  принцип относительности Галилея  и Эйнштейна.

В 1894 г. на свет появилась последняя  работа Пьера Кюри, посвящённая симметрии физических явлений. Статья называлась «О симметрии физических явлений: симметрия электрического и магнитного поля». Именно в этой работе и были сформулированы наиболее глубокие идеи учёного, касающиеся универсальной роли симметрии в природе.

  

Ещё одним учёным, который пытался  объяснить симметрию с точки  зрения физики, был Е.С.Фёдоров. Исходя из принципов симметрии, он доказал, что существует конечное число типов  кристаллов.

Симметрия в химии.

Симметрия обнаруживается также и  на атомном уровне изучения вещества. Она проявляется в недоступных  непосредственному наблюдению геометрически  упорядоченных атомных структурах молекул. В 1810 году Д.Дальтон, желая показать своим слушателям как атомы, комбинируясь, образуют химические соединения, построил деревянные модели шаров и стержней. Эти модели оказались превосходным наглядным пособием.

Молекула воды имеет плоскость  симметрии (прямая вертикальная линия). Ничто не изменится, если поменять местами  парные атомы в молекуле; такой  обмен эквивалентен операции зеркального  отражения.

Исключительно важную роль в мире живой природы играют молекулы ДНК. Это двуцепочечный высокомолекулярный полимер, мономером которого являются нуклеотиды. Молекулы ДНК имеют структуру  двойной спирали, построенной по принципу комплементарности.

Симметрия в биологии.

На явления симметрии в живой  природе обратили внимание ещё в  Древней Греции пифагорейцы в  связи с развитием учения о  гармонии (5 век до н.э.). В 19 веке появились  единичные работы, посвящённые симметрии  в растительном и животном мире.

В 20 веке усилиями российских учёных - В Беклемишева, В Вернадского, В  Алпатова, Г.Гаузе - было создано новое  направление в учении о симметрии - биосимметрика. Исследовав симметрии  биоструктур на молекулярном и надмолекулярном  уровнях позволяет заранее определить возможные варианты симметрии в  биообъектах, строго описывать внешнюю  форму и внутреннее строение любых  организмов.

Симметрия у растений.

Характерная для растений симметрия  конуса хорошо видна на примере любого дерева. Дерево поглощает из почвы влагу и питательные вещества за счёт корневой системы, то есть снизу, а остальные жизненно важные функции выполняются кроной, то есть наверху. Поэтому направления «вверх» и «вниз» для дерева, существенно различны. А направления в плоскости перпендикулярной к вертикали, для дерева фактически неразличимы: по всем этим направлениям к дереву в равной мере поступают воздух, свет, и влага. В результате появляется вертикальная поворотная ось и вертикальная плоскость симметрии.

У цветковых растений в большинстве  проявляется радиальная и билатеральная  симметрия.

Цветок считается симметричным, когда каждый околоцветник состоит  из равного числа частей. Цветки, имея парные части, считаются цветками с двойной симметрией и т.д. Тройная  симметрия обычна для однодольных  растений, пятерная - для двудольных.

Симметрия у животных.

Под симметрией у животных понимают соответствие в размерах, форме и  очертаниях, а также относительное  расположение частей тела, находящихся  на противоположных сторонах разделяющей  линии.

Сферическая симметрия имеет место  у радиолярий и солнечников, тело которых сферической формы, а  его части распределены вокруг центра сферы и отходят от неё. У таких  организмов нет ни передней, ни задней, ни боковых частей тела, любая плоскость, проведённая через центр, делит  животное на одинаковые половинки.

При радиальной или лучистой симметрии  тело имеет форму короткого или  длинного цилиндра либо сосуда с центральной  осью, от которого отходят в радиальном порядке части тела. Это кишечнополостные, иглокожие, морские звёзды.

При билатеральной симметрии осей симметрии три, но симметричных сторон только одна пара. Потому что две  другие стороны - брюшная и спинная - друг на друга не похожи. Этот вид  симметрии характерен для большинства  животных, в том числе насекомых, рыб, земноводных, рептилий, птиц, млекопитающих.

Симметрия у человека.

Тело человека построено по принципу двусторонней симметрии. Кроме того, большинство из нас рассматривает мозг как единую структуру, в действительности же он разделён на две половины. Эти две части - два полушария - плотно прилегают друг к другу. В полном соответствии с общей симметрией тела человека каждое полушарие представляет собой почти точное зеркальное отображение другого. Управление основными движениями тела человека и его сенсорными функциями равномерно распределено между двумя полушариями мозга. Левое полушарие контролирует правую сторону мозга, а правое - левую сторону.

Симметрия в архитектуре.

В геометрических орнаментах всех веков  запечатлены неиссякаемые фантазия и изобразительность художников и мастеров, чьё творчество было ограничено жёсткими рамками, установленными неукоснительным следованием принципам  симметрии.

Трактуемые несравненно шире идеи симметрии нередко можно встретить  в живописи, скульптуре, музыке и  поэзии. Во многих случаях именно язык симметрии оказывается особенно пригодным для обсуждения произведений искусства, даже если последние отличаются отклонениями от симметрии или их создатели стремились умышленно её избежать.

 

Таким образом, все симметрии, которые мы до сих пор рассматривали, объединяются в одну, всеобщую — все явления природы инвариантны.

Заключение

В завершении отметим, что цель данной работы достигнута, поставленные задачи выполнены.

Понятия симметрии и противоположного ей объективного свойства природы асимметрии являются одними из фундаментальных  в современном естествознании. Поэтому  многие научные исследования в значительной степени основываются на рассмотрении указанных понятий.

Нами раскрыта сущность понятия «симметрия», которая представляет собой неизменность структуры материального объекта относительно его преобразований, то есть изменение ряда физических условий.

Симметрия пространства и времени  является следствием принципа инвариантности (т.е. неизменности физических величин  или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой).

Симметрия пространства и времени  или однородность пространства и  времени заключается в том, что  при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как  целого, ее физического свойства и  законы движения не изменяются, т.е. не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы  отсчета.

Принципы симметрии пространства и времени являются весьма важными  для раскрытия некоторых законов  природы:

однородность времени в пространстве служит основой законов сохранения энергии W;

симметрия относительно вращений определяет выполнение закона сохранения импульса mv;

однородность пространства определяет закон сохранения момента импульса mvr.

Перечисленные законы сохранения универсальны. Они определяются симметриями пространства-времени мира.

Кроме того, в работе рассмотрены различные проявления симметрии. Принципы симметрии играют важную роль в физике и математике, химии и биологии, технике и архитектуре, живописи и скульптуре, а законы природы, управляющие неисчерпаемой в своем многообразии картиной явлений, в свою очередь, подчиняются принципам симметрии.

 

Список используемой литературы

1. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания: Учебное пособие / В.В.Горбачев. - М.: Издательство МГУП, 2000. - 274 с.  
2. Горелов А.А. Концепции современного естествознания / А.А.Горелов. - М: Высшее образование, 2006. - 335 с.
3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания / Т.Я.Дубнищева. – М: Академия, 2003. – 608 с.
4. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания : учеб. для вузов / С.Х.Карпенков. - М.: Высш. шк., 2003. - 448 с.
5. Концепции современного естествознания / Под ред. профессора СИ.Самыгина. - Ростов н/Д: Феникс, 2003. - 448 с.
6. Хорошавина С.Г. Концепции современного естествознания: курс лекций / С.Г.Хорошавина. - Ростов н/Д: Феникс, 2005. - 480 с.