Скачать презентацию Принципы симметрии в научной картине мира КСЕ Скачать презентацию Принципы симметрии в научной картине мира КСЕ

Принципы симметрии в научной картине мира.ppt

  • Количество слайдов: 60

Принципы симметрии в научной картине мира КСЕ Принципы симметрии в научной картине мира КСЕ

План лекции • 1. Понятие симметрии • 2. Симметрия пространства – времени и законы План лекции • 1. Понятие симметрии • 2. Симметрия пространства – времени и законы сохранения • 3. Симметрия и асимметрия живого • 4. Нарушение симметрии как источник самоорганизации

Понятие симметрии • Соразмерность — древнее значение слова «симметрия» . Античные философы считали симметрию, Понятие симметрии • Соразмерность — древнее значение слова «симметрия» . Античные философы считали симметрию, порядок и определенность сущностью прекрасного

Понятие симметрии • В общем случае симметрия выражает степень упорядоченности какой-либо системы или объекта Понятие симметрии • В общем случае симметрия выражает степень упорядоченности какой-либо системы или объекта

Понятие симметрии • это неизменность (инвариантность) каких-либо свойств и характеристик объекта по отношению к Понятие симметрии • это неизменность (инвариантность) каких-либо свойств и характеристик объекта по отношению к какимлибо преобразованиям (операциям) над ним Окружность симметрична относительно любой прямой (оси симметрии), лежащей в ее плоскости и проходящей через центр, она симметрична и относительно центра

Понятие симметрии • в широком смысле симметрия – это понятие, отображающее существующий в объективной Понятие симметрии • в широком смысле симметрия – это понятие, отображающее существующий в объективной действительности порядок, определенное равновесное состояние, относительную устойчивость, пропорциональность и соразмерность между частями целого

Мир симметрии • Объекты • геометрической правильности и простирающийся до свойств элементарных частиц. • Мир симметрии • Объекты • геометрической правильности и простирающийся до свойств элементарных частиц. • Принципы • симметрии лежат в основе самых сложных, самых современных физических теорий, более того — в основе законов природы

Мир симметрии Куршская коса Мир симметрии Куршская коса

Симметрия рождает гармонию Симметрия рождает гармонию

Идею симметрии подсказывает сама природа Идею симметрии подсказывает сама природа

Симметрия в искусстве Симметрия рождает гармонию Симметрия в искусстве Симметрия рождает гармонию

Зеркальная симметрия в геометрии • относится к операциям отражения или вращения • достаточно широко Зеркальная симметрия в геометрии • относится к операциям отражения или вращения • достаточно широко встречается в природе • Наибольшей симметрией в природе обладают кристаллы (снежинки, природные кристаллы)

Понятие симметрии • симметрии пространственные, внутренние, глобальные локальные Понятие симметрии • симметрии пространственные, внутренние, глобальные локальные

Понятие асимметрии • Асимметрия — другая сторона симметрии, ни природа, ни искусство не терпят Понятие асимметрии • Асимметрия — другая сторона симметрии, ни природа, ни искусство не терпят точных симметрии • источник развития, эволюции, образования нового

Понятие асимметрии • отражает существующее в объективном мире нарушение порядка, равновесия, относительной устойчивости, пропорциональности Понятие асимметрии • отражает существующее в объективном мире нарушение порядка, равновесия, относительной устойчивости, пропорциональности и соразмерности между отдельными частями целого

Понятие симметрии: классификация зеркальная Однородность Пространства И времени динамическая Гармония рифм Разновидности симметрии Гармония Понятие симметрии: классификация зеркальная Однородность Пространства И времени динамическая Гармония рифм Разновидности симметрии Гармония В музыке Изотропность Пространства И времени геометрическая Все явления природы инвариантны (неизменны) относительно сдвигов, поворотов и отражений в этом пространстве

Понятие симметрии (соразмерности) • — относится не только к предметам, но и ко всем Понятие симметрии (соразмерности) • — относится не только к предметам, но и ко всем физическим явлениям и законам • физические законы должны быть инвариантны — неизменны — относительно перемещений и поворотов

Геометрическая симметрия Геометрическая (внешняя) симметрия свойства пространства – времени однородность изотропность эквивалентность инерциальных систем Геометрическая симметрия Геометрическая (внешняя) симметрия свойства пространства – времени однородность изотропность эквивалентность инерциальных систем отсчета

Симметрия пространства • Самая простая симметрия — однородность и изотропность пространства Симметрия пространства • Самая простая симметрия — однородность и изотропность пространства

Изотропность пространства • — независимость свойств объектов от направления пространства: любой прибор, повернутый под Изотропность пространства • — независимость свойств объектов от направления пространства: любой прибор, повернутый под самым немыслимым углом, дает точные показания ИЗОТРОПНОСТЬ в космическом пространстве

Однородность пространства • означает, что каждый физический прибор должен работать одинаково в любом месте, Однородность пространства • означает, что каждый физический прибор должен работать одинаково в любом месте, если не изменяются окружающие физические условия Часы идут почти ? одинаково на Земле и на Солнце

Геометрические асимметрии • выражают неоднородность пространства – времени, анизотропность пространства Геометрические асимметрии • выражают неоднородность пространства – времени, анизотропность пространства

Динамическая симметрия • относятся симметрии, выражающие свойства физических взаимодействий, например, симметрии электрического заряда, симметрии Динамическая симметрия • относятся симметрии, выражающие свойства физических взаимодействий, например, симметрии электрического заряда, симметрии спина и т. п. (внутренние симметрии).

Динамические асимметрии • проявляются в различиях между протонами и нейтронами в электромагнитных взаимодействиях, различие Динамические асимметрии • проявляются в различиях между протонами и нейтронами в электромагнитных взаимодействиях, различие между частицами и античастицами (по электрическому, барионному зарядам)

Калибровочные симметрии • связаны с инвариантностью относительно масштабных преобразований • термин «калибровка» происходит из Калибровочные симметрии • связаны с инвариантностью относительно масштабных преобразований • термин «калибровка» происходит из жаргона железнодорожников, где он означает переход с узкой колеи на широкую

Калибровочные симметрии • изменение уровня или масштаба • в СТО физические законы не изменяются Калибровочные симметрии • изменение уровня или масштаба • в СТО физические законы не изменяются относительно переноса (сдвига) системы координат • Траектории движения остаются прямолинейными, пространственный сдвиг остается одинаковым у всех точек пространства

Закон сохранения электрического заряда • вытекает из электромагнитной калибровочной симметрии • Ее суть состоит Закон сохранения электрического заряда • вытекает из электромагнитной калибровочной симметрии • Ее суть состоит в том, что при масштабных преобразованиях силовые характеристики электромагнитного поля (напряженность электрического поля и индукция магнитного поля ) остаются неизменными Электрон устойчив, время жизни 10 Х 19 лет

Динамические симметрии и законы сохранения • электрического заряда - связан с превращении элементарных частиц Динамические симметрии и законы сохранения • электрического заряда - связан с превращении элементарных частиц (сумма электрических зарядов частиц остается неизменной) • закон сохранения лептонного заряда (при превращении элементарных частиц сумма разность числа пептонов и антилептонов не меняется) и т. д.

Симметрия пространства – времени и законы сохранения • Наиболее общий подход к взаимосвязи симметрий Симметрия пространства – времени и законы сохранения • Наиболее общий подход к взаимосвязи симметрий и законов сохранения содержится в знаменитой теореме Э. Нетер Эмми Нетер (1882 – 1935), выдающийся немецкий математик

Симметрия пространства – времени и законы сохранения • теорема Э. Нетер: • если свойства Симметрия пространства – времени и законы сохранения • теорема Э. Нетер: • если свойства системы не меняются относительно какоголибо преобразования переменных, то этому соответствует некоторый закон сохранения

Переход от одной инерциальной системы (ИСО) к другой • 1. Сдвиг начала координат • Переход от одной инерциальной системы (ИСО) к другой • 1. Сдвиг начала координат • связано с физической эквивалентностью всех точек пространства, т. е. с его однородностью. • В этом случае говорят о симметрии относительно переносов в пространстве • 2. Поворот тройки осей координат • Эта возможность обусловлена одинаковостью свойств пространства во всех направлениях, т. е. изотропностью пространства и соответствует симметрии относительно поворотов

Повороты в пространствевремени • все явления природы не изменяются при поворотах в четырехмерном пространстве Повороты в пространствевремени • все явления природы не изменяются при поворотах в четырехмерном пространстве

Переход от одной инерциальной системы (ИСО) к другой • 3. Сдвиг начала отсчета по Переход от одной инерциальной системы (ИСО) к другой • 3. Сдвиг начала отсчета по времени, соответствующий симметрии относительно переноса по времени • Этот вид симметрии связан с физической эквивалентностью различных моментов времени и однородностью времени, т. е. его равномерным течением во всех инерциальных системах –отсчета • 4. Равномерное прямолинейное движение начала отсчета со скоростью V, т. е. переход от покоящейся системы к системе, движущейся равномерно и прямолинейно. • Это возможно, т. к. такие системы эквивалентны. Такую симметрию условно называют изотропностью пространства-времени

Однородность и обратимость времени Утренний свет Солнца • Все физические процессы идут одинаково, когда Однородность и обратимость времени Утренний свет Солнца • Все физические процессы идут одинаково, когда бы они ни начались — минуту или миллиард лет назад Свет далекой звезды

Однородность и обратимость времени • Законы природы не изменяются и от замены времени на Однородность и обратимость времени • Законы природы не изменяются и от замены времени на обратное • В малом объеме газа молекулы то стекаются вместе, то растекаются, так что плотность только в среднем совпадает с плотностью газа, и характер этих колебаний совершенно симметричен относительно прошлого и будущего (белый/черный песок)

Фундаментальные законы • 1. Закон сохранения импульса как следствие однородности пространства. • 2. Закон Фундаментальные законы • 1. Закон сохранения импульса как следствие однородности пространства. • 2. Закон сохранения момента импульса как следствие изотропности пространства. • 3. Закон сохранения энергии как следствие однородности времени. • 4. Закон сохранения скорости центра масс (следствие изотропности пространствавремени).

Зеркальная симметрия Зеркальная симметрия

Симметрия и асимметрия живого • Филогенетическая эволюция стремилась вызывать наследственное различие между правым и Симметрия и асимметрия живого • Филогенетическая эволюция стремилась вызывать наследственное различие между правым и левым: расположение сердца и закручивание кишечника человека почти всегда левостороннее

Симметрия и асимметрия живого • Киральность или хиральность (<греч. cheiros – рука) • зеркальная Симметрия и асимметрия живого • Киральность или хиральность (<греч. cheiros – рука) • зеркальная асимметрия молекул

Симметрия и асимметрия живого • Неживые киральные морекулы встречаются в природе как в «левом» Симметрия и асимметрия живого • Неживые киральные морекулы встречаются в природе как в «левом» так и в «правом» варианте, т. е. они кирально нечистые. «Живые» молекулы могут быть только одной ориентации – «левой» или «правой» У молекулы ДНК спираль всегда правая

Нарушение симметрии как источник самоорганизации • эволюция Вселенной: идея о спонтанном нарушении симметрии исходного Нарушение симметрии как источник самоорганизации • эволюция Вселенной: идея о спонтанном нарушении симметрии исходного вакуума Ближняя Вселенная

Спонтанное нарушение симметрии • означает, что при определенных макроусловиях фундаментальные симметрии оказываются в состоянии Спонтанное нарушение симметрии • означает, что при определенных макроусловиях фундаментальные симметрии оказываются в состоянии неустойчивости, а платой за устойчивое состояние является асимметричность вакуума ( «ложный вакуум» )

Сценарий эволюции Вселенной: Большой Взрыв • 1 -я бифуркация: нарушение симметрии (тождества) между бозонами Сценарий эволюции Вселенной: Большой Взрыв • 1 -я бифуркация: нарушение симметрии (тождества) между бозонами и фермионами привело к разделению материи на вещество и поле Бифурка ция — термин происходит от bifurcus — «раздвоенный» ; особых точках, где траектория, по которой движется система, разделяется на «ветви»

2 -я бифуркация • нарушение тождества между кварками и лептонами; • нарушается симметрия между 2 -я бифуркация • нарушение тождества между кварками и лептонами; • нарушается симметрия между веществом и антивеществом: частиц вещества рождается больше, и вся наша Вселенная оказывается построенной из вещества

Сценарий эволюции Вселенной: Большой Взрыв • 3 -я бифуркация: спонтанное нарушение симметрии электрослабого взаимодействия, Сценарий эволюции Вселенной: Большой Взрыв • 3 -я бифуркация: спонтанное нарушение симметрии электрослабого взаимодействия, что обнаруживается нами в виде различия между электромагнитным и слабым взаимодействием. • 4 -я бифуркация: возникают протоны и нейтроны. Дальнейшая эволюция Вселенной приводит к возникновению водорода, гелия, ионизованного газа, звезд, галактик и т. д.

Асимметрия и жизнь • возникновение жизни на Земле, могло быть вызвано спонтанным нарушением существующей Асимметрия и жизнь • возникновение жизни на Земле, могло быть вызвано спонтанным нарушением существующей до того зеркальной симметрии • Факторы асимметрии радиация, температура, давление, воздействие электромагнитных полей и др. • самоорганизация материи в виде скачка, а не постепенной эволюции Большой Биологический Взрыв Древо жизни“ из книги Д. Эттенборо „Жизнь на Земле“ 1984. Развитие жизни на рубеже протерозоя и фанерозоя носило характер биологического взрыва

Асимметрия и жизнь • в ходе развития жизни асимметрия все больше и больше вытесняет Асимметрия и жизнь • в ходе развития жизни асимметрия все больше и больше вытесняет симметрию из биологических и химических процессов