Симметрия и асимметрия в природе
Прошли тысячелетия, прежде чем человечество в ходе своей общественно-производственной деятельности осознало необходимость выразить в определенных понятиях установленные им прежде всего в природе две тенденции: наличие строгой упорядоченности, соразмерности, равновесия и их нарушения.
Люди давно обратили внимание на правильность формы кристаллов, геометрическую строгость строения пчелиных сот, последовательность и повторяемость расположения ветвей и листьев на деревьях, лепестков, цветов, семян растений и отобразили эту упорядоченность в своей практической деятельности, мышлении и искусстве.
Понятие «симметрия» употреблялось в двух значениях. В одном смысле симметричное означало нечто пропорциональное; симметрия показывает тот способ согласования многих частей, с помощью которого они объединяются в целое. Второй смысл этого слова — равновесие.
Греческое слово snmmetra означает однородность, соразмерность, пропорциональность, гармонию.
Познавая качественное многообразие проявлений порядка и гармонии в природе, мыслители древности, особенно греческие философы, пришли к выводу о необходимости выразить симметрию и в количественных отношениях, при помощи геометрических построений и чисел.
Симметрия форм предметов природы как выражение пропорциональности, соразмерности, гармонии подавляла древнего человека своим совершенством, и это было использовано религией, различными представлениями мистицизма, пытавшимися истолковать наличие симметрии в объективной действительности для доказательства всемогущества богов, якобы вносящих порядок и гармонию в первоначальный хаос. Так, в учении пифагорейцев симметрия, симметричные фигуры и тела (круг и шар) имели мистическое значение, являлись воплощением совершенства.
Следует обратить внимание и на учение Пифагора о гармонии. Известно, что если уменьшить длину струны или флейты вдвое, тон повысится на одну октаву. Уменьшению в отношении 3:2 и 4:3 будут соответствовать интервалы квинта и кварта. То, что важнейшие гармонические интервалы получаются при помощи отношений чисел 1, 2 и 3, 4, пифагорейцы использовали для своих мистических выводов о том, что «все есть число» или «все упорядочивается в соответствии с числами». Сами эти числа 1, 2, 3, 4 составляли знаменитую «тетраду». Очень древнее изречение гласит: «Что есть оракул дельфийский? Тетрада! Ибо она есть музыкальная гамма сирен». Геометрическим образом тетрады является треугольник из десяти точек, основание которого составляют 4 точки плюс 3, плюс 2, а одна находится в центре.
В
геометрии, механике — всюду, где мы имеем
дело с отрезками прямых, мы встречаемся
и с понятиями меры, сравнения и соотношения.
Эти понятия являются отражением реальных
отношений между предметами в объективном
мире. Чтобы пояснить это положение, можно
выбрать на данной прямой АВ любую третью
точку С. Таким образом, совершается переход
от единства к двойственности, и мысль
этим самым приводит к понятию пропорции.
Следует подчеркнуть, что соотношение
есть количественное сравнение двух однородных
величин, или число, выражающее это сравнение.
Пропорция есть результат согласования
или равноценности двух или нескольких
соотношений. Следовательно, необходимо
наличие не менее трех величин (в рассматриваемом
случае прямая и два ее отрезка) для определения
пропорции. Деление данного отрезка прямой
АВ путем выбора третьей точки С,
находящейся между А и В, дает возможность
построить шесть различных возможных
соотношений:
a:b ; a:c ; b:a ; b:c ; c:a ; c:b
при условии
отметки соответствующей длины отрезков
прямой буквами «а», «b»,
«с» и применения к данной длине любой
системы мер. Проанализировав возможные
случаи деления отрезка АВ на две части,
мы приходим к выводу, что отрезок можно
делить на:
1) две симметрические части a=b;
2) a:b = c:a
Так как c = a + b, то
a/b = (a + b)/a ;
( (a + b)/a очевидно, превосходит единицу); дело обстоит так же и в отношении а/b; значит, «а» превосходит «b» и точка «С» стоит ближе к В, чем к A.
Это соотношение a:b = c:a или AC/CB = AB/AC
может быть выражено следующим образом: длина АВ была разделена на две неравные части таким образом, что большая из ее частей относится к меньшей, как длина всего отрезка АВ относится
к его большей
части:
3) a/b = b/c равноценно
a/b = b/(a + b).
В этом случае «b» больше «а»; точка С ближе к А, чем к В, но отношения те же, что и во втором случае,
Рассмотрим равенство
a/b = c/a =
(a + b)/a,
при котором отрезок
АС длиннее отрезка СВ. Это общее простейшее
деление отрезка прямой АВ, являющееся
логическим выражением принципа наименьшего
действия. Между точками А и В
имеется лишь одна точка C,
поставленная таким образом, чтобы длина
отрезков АВ, СВ и АС соответствовала принципу
простейшего деления; следовательно, существует
только одно числовое выражение, соответствующее
отношению a/b. Эту же задачу можно решить
путем геометрического построения, известного
как деление прямой на две неравные части
таким образом, чтобы соотношение меньшей
и большей частей равнялось соотношению
большей части и суммы длин обеих частей,
а это и соответствует формуле
a/b = (a + b)/a,
которую называют «божественная пропорция», «золотое сечение» т.д.
Изучение объективной реальности и задачи практики привели к возникновению наряду с понятием симметрия и понятия асимметрии, которое нашло одно из своих первых количественных выражений в так назыываемом золотом делении, или золотой пропорции.
Пифагор
выразил «золотою пропорцию» соотношением:
А:Н
= R:B,
где Н
и R суть гармоническая и арифметическая
средние между
величинами А и В.
R = (A + B)/2;
H = 2AB/ (A + B).
Кеплер первый обращает внимание на значение этой пропорции в ботанике и называет ее sectio divina — «божественное сечение»; Леонардо да Винчи называет эту пропорцию «золотое сечение».
Проведем
некоторые преобразования вышеприведенной
формулы. Прежде всего разделим на «b»
оба элемента второго члена этого равенства
и обозначим
a/b
= x; тогда a/b = (a/b + 1)/(a/b),
или
x2 = x + 1
Отсюда
x2
- x – 1= 0
Корнями этого уравнения
являются
х = 1± Ö5/2 = 1,61803398 .
45
2
Это число обладает
характернейшими особенностями. Обозначим
это число буквой Ф.
Ф = (Ö5
+ 1)/2 = 1,618…; 1/Ф = (Ö5 – 1) /2 = 0,618…;
Ф2 = -(Ö5 + 3)/2 = 2,618…
Оказывается, что геометрическая прогрессия, в основании которой лежит Ф, обладает следующей особенностью: любой член этого ряда равен сумме двух предшествующих ему членов. Ряд 1, Ф, Ф2, Ф3, ..., Фn является одновременно и мультипликативным, и аддитивным, т. е. одновременно причастен природе геометрической прогрессии и арифметического ряда. Следует обратить внимание на то, что формула.
Ф = (Ö5 + 1)/2
выражает простейшее асимметрическое деление прямой АВ. С этой точки зрения данное отношение является «логической» инвариантой, проистекающей из счислений отношений и групп. Пеано, Бертран Рассел и Кутюра показали, что исходя из принципа тождественности можно вывести из этих отношений и групп принципы чистой математики.
Любопытно, что древние архитекторы уже пользовались приемом асимметричного деления. Так, например, стороны пирамиды Фараона Джосера относятся друг к другу, как 2: /5, а ее высота относится к большей стороне, как 1: 2.
Интересно, что на сохранившемся до наших дней изображении древнеегипетского зодчего Хисеры (жил свыше 4,5 тыс. лет тому назад) имеются две палки — очевидно, эталоны меры. Их длины относятся, как 1: 1/5, т. е. как меньшая сторона прямоугольного треугольника к гипотенузе.
Архитектор И. Шевелев рассматривая пропорции древнерусской архитектуры (церковь Покрова на Нерли и храм Вознесения в Коломенском) привел убедительные данные, свидетельствующие о том, что русские архитекторы также пользовались пропорциями, связанными с «золотым сечением».
Пропорция «золотого сечения» дает возможность архитекторам находить наиболее удачные, красивые, гармоничные сечения целого и частей, единство разнообразного; в конечном счете они пользуются сочетанием принципов симметрии и асимметрии,
Если в период Возрождения внимание ученых и преподавателей искусства было приковано к «золотому сечению», то впоследствии оно постепенно падало, и только в 1855 г. немецкий ученый Цейзинг вновь ввел его в обиход в своем труде «Эстетические исследования». В нем он писал, что для того, чтобы целое, разделенное на две неравные части, казалось прекрасным с точки зрения формы, между меньшей и большей частями должно быть то же отношение, что и между большей частью и целым,
Применение «золотого сечения» есть лишь частный случай общего закона периодической повторяемости одной и той же пропорции в совокупности, в деталях целого,
Рассмотрение вопроса о «золотом сечении» приводит к выводу, что здесь мы имеем дело с отображением средствами математики (при помощи понятий симметрии и асимметрии) существующей в природе пропорциональности.
Все вышеизложенное позволяет утверждать, что взгляды Пифагора и его школы содержали наряду с мистикой и идеализмом и некоторые плодотворные математические и естественнонаучные идеи. Впоследствии учение пифагорейцев получило развитие в философии крупнейшего представителя античного идеализма Платона. Мир, утверждал Платон, состоит из правильных многоугольников, обладающих идеальной симметрией. Физические тела — это идеальные математические сущности, составленные из треугольников, упорядоченные демиургом.
Отдельные
интересные суждения о симметрии и гармонии
мы встречаем в работах многих философов
и естествоиспытателей (прежде всего Леонардо
да Винчи, Лейбница, Декарта, Спенсера,
Гегеля и других). В значительной степени
прав немецкий ученый Венцлав Бодо, когда
пишет, что «философия, за исключением
некоторых высказываний, не пыталась дать
объяснение этой интересной стороне природы.
На протяжении веков спорили о причинности,
детерминизме и других вопросах, не видя
взаимосвязи их с проблематикой симметрии
или не стремясь к этому. Симметрия, по-видимому,
прибавлялась только как искусственная
роскошь к довольно узкому готовому миру
вещей с их свойствами и силовыми взаимодействиями,
их движениями и изменениями».
Об
определении категорий
симметрии и асимметрии
В настоящее время в науке преобладают определения указанных категорий на основе перечисления их важнейших признаков. Например, симметрия определяется как совокупность свойств: порядка, однородности, соразмерности, пропорциональности, гармоничности и т. д. Асимметрия же обычно определяется как отсутствие признаков симметрии, как беспорядок, несоразмерность, неоднородность и т. д. Все признаки симметрии в такого рода ее определениях, естественно, рассматриваются как равноправные, одинаково существенные, и в отдельных конкретных случаях при установлении симметрии какого-либо явления можно пользоваться любым из них. Так, в одних случаях симметрия — это однородность, а в других — соразмерность и т. д. Очевидно, что по мере развития нашего познания к определению симметрии можно прибавлять все новые и новые признаки. Поэтому определения симметрии такого рода всегда неполны.
То же можно сказать и о существующих определениях асимметрии. Очевидно, что в определениях понятий, сформулированных по принципу перечисления свойств объектов, ими отражаемых, отсутствует связь между перечисленными свойствами объектов. Такие свойства симметрии, как, например, однородность и соразмерность, друг из друга не следуют. Сказанное, однако, не означает бесполезности вышеуказанных определений симметрии и асимметрии. Наоборот, они весьма полезны и необходимы. Без них нельзя дать и более общее определение категорий симметрии и асимметрии. На основе подобных эмпирических определений симметрии и асимметрии развиваются определения более общего характера, сущность которых — в соотнесении частных признаков симметрии и асимметрии к определенным всеобщим свойствам движущейся материи. «В симметрии,— пишет А. В. Шубников,— отражается та сторона явлений, которая соответствует покою, а в дисимметрии (по нашей терминологии в асимметрии) та их сторона, которая отвечает движению»
Таким образом, все свойства симметрии рассматриваются как проявления состояний покоя, а все свойства асимметрии — как проявления состояний движения. Если признать это правильным, то очевидно, что соотношение симметрии и асимметрии в таком случае таково же, как соотношение покоя и движения. Мы, следовательно, можем сказать, что симметрия относительна, а асимметрия абсолютна. Симметрию мы должны, далее, рассматривать как частный случай асимметрии, как ее момент. Поэтому ни о каком равноправии симметрии и асимметрии и речи быть не может. Взаимоотношение симметрии и асимметрии здесь явно асимметрично. Но вряд ли можно с таких позиций правильно понять многие свойства симметрии и асимметрии. Почему, например, такую симметрию пространства, как его однородность, должны рассматривать как соответствующую покою? Почему мы должны искать симметрию только среди покоящихся явлений? Разве нет симметрии во взаимодействии и движении явлений мира? Мысль о связи между понятиями симметрии и асимметрии и соответственно между понятиями покоя и движения точнее можно выразить как единство покоя и движения. Понятие симметрии раскрывает момент покоя, равновесия в состояниях движения, а понятие асимметрии — момент движения, изменения в со стояниях покоя, равновесия. Но и такой формулировкой не охватывают основные признаки симметрии и асимметрии. Например, симметрия частиц и античастиц и их ассиметрия в известной нам области мира не могут быть истолкованы исходя из понятий о единстве покоя и движения. Вряд ли существование частиц и античастиц можно рассматривать как момент покоя в каком-то движении материи, а несоответствие числа частиц числу античастиц в известной нам области мира — как моменты движения в каком-то состоянии покоя. Можно сделать вывод, что в идее А. В. Шубникова о соотнесении симметрии с покоем, а асимметрии — с движением заключается только момент истины.
Хорошо известно, что понятие симметрии охватывает и такие стороны существования явлений, которые ничего общего с покоем не имеют. Например, регулярная повторяемость тех или иных состояний движения, их определенная периодичность является одним из признаков симметрии, но к покою, она никакого отношения не имеет. Такой вид асимметрии, как анизотропность пространства, из свойств движения, конечно, выведена быть не может. Тем не менее многие свойства симметрии и асимметрии соответственно связаны с покоем и движением.
К общим определениям понятий симметрии и асимметрии можно подойти исходя из следующих положений:
во-первых, нужно признать, что эти понятия относятся ко всем известным нам атрибутам материи, что они отражают взаимные связи между ними;
во-вторых, эти понятия основываются на диалектике соотношения тождества и различия, существующей как между атрибутами материи, так и между их состояниями и признаками;
в-третьих, нужно иметь в виду,
что единство симметрии и
Непосредственной логической основой для определения понятий симметрии и асимметрии, на наш взгляд, является диалектика тождества и различия. Здесь нужно отметить, что в диалектике тождество и различие рассматриваются лишь в определенных отношениях, во взаимодействии, во включении различия в тождество, а тождества в различие.
Тождество проявляется только в определенных отношениях и в определенных процессах; тождество всегда конкретно. К тождеству можно отнести: равновесие, равнодействие, сохранение, устойчивость, равенство, соразмерность, повторяемость и т. д. Тождество не существует вечно: оно возникает, становится и развивается. Если дать его общее определение, то можно сказать, что оно представляет собой процесс образования сходства в различном и противоположном.
Для того, чтобы имело место тождество, необходимо существование различного и противоположного. Вне различий тождество вообще не имеет смысла, поэтому нельзя говорить о тождественном в тождественном, а только в различном и противоположном.
Характеризуя
диалектическое понимание тождества,
нужно выделить его следующие стороны:
тождество не существует вне различия
и противоположности, тождество возникает
и исчезает; тождество существует только
в определенных отношениях и возникает
при определенных условиях, наиболее полным
выражением тождества является полное
превращение противоположностей друг
в друга. Проявления тождества бесконечно
многообразны. Поэтому в процессе познания
явлений мира нельзя ограничиваться только
установлением тождества между ними, но
необходимо раскрывать то, как возникает
это тождество, при каких условиях и в
каких отношениях оно существует. Основываясь
на этой характеристике диалектики тождества
и различия, можно сформулировать следующие
определения симметрии и асимметрии.
Симметрия
— это категория, обозначающая процесс
существования и становления тождественных
моментов в определенных условиях и в
определенных отношениях между различными
и противоположными состояниями явлений
мира.
Действительно ли является всеобщим сформулированное нами определение понятия симметрии, охватывает ли оно все известные нам формы проявления симметрии как в объективном мире, так и в процессе нашего познания? Очевидно, что при ответе на этот вопрос придется ограничиться только наиболее общими характерными примерами. Представим себе две точки, находящиеся по отношению к какой-то прямой на ее противоположных сторонах; если эти противоположные точки равноудалены от этой прямой, то о них говорят как о симметричных по отношению к данной прямой. Если мы теперь совершим операцию перегиба, то в результате наши точки полностью совпадут, сольются друг с другом, следовательно, можно говорить об их полном тождестве. Симметрия расположения данных точек указывает именно на то, при каком процессе и при каких условиях они становятся тождественными. Значит, этот вид симметрии полностью подходит под сформулированное определение симметрии. Как известно, существует определенная симметрия между протоном и нейтроном; она выражается в том, что в условиях сильных взаимодействий они не отличаются друг от друга, становятся тождественными друг другу. Их симметрия и есть не что иное, как образование тождества между этими различными частицами в процессе сильных взаимодействий. В понятии изотопического спина как раз и выражаются моменты тождества, имеющиеся у протонов и нейтронов, т. е. их симметрия в условиях сильного взаимодействия. Но подходят ли под данное определение симметрии такие общие симметрии пространства и времени, как, например, их однородность?
Однородность пространства означает, что по отношению к взаимодействиям явлений все места в пространстве тождественны и никак не сказываются на характере взаимодействия. Тождественность всех мест в пространстве (точек в пространстве) по отношению к взаимодействиям явлений и есть их,строгая полная симметрия. То же в общем виде можно сказать и об однородности времени. Тождественность всех временных интервалов по отношению к взаимо
. действию явлений и есть их строгая и полная,симметрия. На наш взгляд, нельзя найти ни одного вида симметрии, который бы противоречил данному нами определению. Но это не значит, что данное определение симметрии является законченным и вполне строгим — видимо, будут необходимы какие-то его уточнения.
Сформулированное определение понятия симметрии позволяет распространить это понятие на все атрибуты материи, на все ее состояния и структуры, а также на все типы связей и взаимодействий. Так, группа преобразований Лоренца выражает существующую симметрию во взаимосвязи пространства, времени и движения — этих атрибутов материи'. Симметрия группы изотопического спина выражает тождественные моменты по отношению к сильным взаимодействиям у частиц, участвующих в этих взаимодействиях.
В первом издании этой книги (1968) мы писали: «Поскольку существуют различные взаимодействия, и даже во многих отношениях противоположные, как, например, сильные и слабые, то естественно допустить, что в них при определенных условиях возникают и существуют тождественные моменты, т. е. им свойственна определенная симметричность. Открытие такой симметрии было бы значительным шагом вперед в деле создания теории элементарных частиц. В настоящее время связь между известными видами взаимодействия в физике еще не установлена, но можно предвидеть эти связи исходя из принципа симметрии». Теперь эти связи между сильным, слабым и электромагнитным взаимодействиями установлены, и это действительно явилось важным звеном в развитии теории элеменарных частиц. Хотелось бы высказаться против жесткого разделения многообразных видов симметрии на геометрические и динамические. Первые отражают свойства симметрии пространства и времени, а вторые — свойства симметрии состояния взаимодействия. Но поскольку пространство, время, движение и входящее в него вза имодействие внутренне связаны между собой, должна быть внутренняя связь также между геометрической и динамической симметриями. И она на самом деле существует. Так, симметрия равномерного прямолинейного движения и покоя (одна из черт симметрии группы Галилея), очевидно, не может быть охарактеризована только как динамическая или только как геометрическая. В ней выражены свойства симметрии как пространства и времени', так и состояния движения. Вообще любая симметрия в своей основе имеет единство и взаимосвязь различных атрибутов материи. Правда, не всегда эта взаимосвязь носит непосредственный характер, что и создает возможность разделения видов симметрии на геометрические и динамические. Оба эти вида симметрии могут быть выражены и в динамической, и в геометрической форме. Так, группу симметрии изотопического спина, которая обычно относится к динамической симметрии, можно выразить и в геометрической форме; ядерные взаимодействия инвариантны относительно поворотов в изотопическом пространстве. Из этой формулировки можно получить ряд характеристик взаимодействия нуклонов, например, положение о том, что ядерные силы между протоном и протоном и протоном и нейтроном одинаковы, и ряд других. При изучении различных видов симметрии весьма важно учитывать единство атрибутов материи, а следовательно, и внутреннюю связь между симметриями их свойств и состояний. Значение этого положения особенно ясно выступает при изучении вопроса о взаимоотношении группы симметрии и законов сохранения.
По этому вопросу существуют две точки зрения.
Часть физиков (Берестецкий, Вигнер, Штейнман и др.) утверждает, что фундаментом законов сохранения являются формы геометрической симметрии, в то время как другие, наоборот, считают, что законы сохранения определяют формы геометрической симметрии.. Согласно первой точке зрения, например, однородность времени определяет закон сохранения энергии, а согласно второй— закон сохранения энергии определяет однородность времени. Мы думаем, что обе точки зрения являются некоторой абсолютизацией возможных подходов к проблеме. Наличие обеих точек зрения проявилось в том, что возникло мнение о разделении законов сохранения на две группы: наиболее общие из них связаны с геометрическими симметриями, а менее общие — с динамическими.
Так, законы сохранения оказались разделенными на две группы: кинематические (основанные на геометрических симметриях) и динамические (основанные на динамических симметриях). К первой группе относятся законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, ко второй — закон сохранения электрического заряда, барионного числа, лептонного числа, изотопического спина и ряд других.
Такое разделение законов сохранения в итоге основано на игнорировании единства атрибутов материи и на таком следствии этого игнорирования, как противопоставление динамических и геометрических симметрий друг другу. Непосредственной же предпосылкой деления законов сохранения на две группы является убеждение, что законы сохранения зависят от определенных симметрий. Бесспорно, что между формами симметрии и законами сохранения существует глубокая связь, но эту связь нельзя преувеличивать. С определенными симметриями связаны не сами законы сохранения," а определенные формы их проявления. Так, известные нам формы проявления закона сохранения энергии, конечно, связаны с однородностью времени, но в целом этот закон может быть связан и с другими геометрическими симметриями, пока нам не известными. Кроме того, каждый закон сохранения связан и с,определенными формами асимметрии, об этом подробнее будет сказано ниже.
Формы симметрии и формы закона сохранения всегда взаимосвязаны, но в целом как симметрия, так и законы сохранения представляют собой две различные, отнюдь не изолированные друг от друга стороны единой закономерности мира.
Перейдем теперь к характеристике необходимых предпосылок для определения асимметрии.
Как и для определения симметрии, так и для определения асимметрии непосредственной предпосылкой, основанием является диалектика тождества и различия.
