Симетрія природи і закони збереження

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

ЗМІСТ:
Введение_________________________________________________________ 3
1. Симетрія природы____________________________________________ 4
2. Закони сохранения_____________________________________________ 7
Заключение______________________________________________________12
Литература______________________________________________________13

ВСТУП:
Найважливіші досягнення у фізиці елементарних частинок пов'язані з симетрією відносно перетворень деяких параметрів, що характеризують внутрішні властивості частинок.
Так, в останні роки отримали розвиток суперсімметріческіе моделі, що мають симетрією нового типу, що зв'язують між собою ферміони і бозони і постулює, що у кожної звичайної частинки є "суперпартнер" з аналогічними властивостями (за винятком спина - обертання елементарної частинки або античастинки навколо власної осі, обумовлює її електромагнітне поле). Наприклад, електрони, кварки, лептони мають суперпартнеров - селектрони, Скварко. слептони. Але ця теорія ще не підтверджена експериментом.
Існує принцип симетрії Кюрі: якщо умови, однозначно визначають який-небудь ефект, мають деякою симетрією, то результат їхніх дій не порушить її. Тому, формально, всі нерівноважні процеси поділяють на скалярні (хімічні реакції), векторні (теплопровідність, дифузія) і тензорні (в'язке тертя). Відповідно до принципу симетрії величини різних розмірностей не можуть бути пов'язані один з одним. Так, скалярна величина не може викликати векторну.
Суть методологічного значення поняття симетрії найбільш яскраво розкриває висловлювання Дж. Ньюмена (1903-1957): "Симетрія встановлює забавна й дивовижне спорідненість між предметами, явищами і теоріями, зовні, здавалося б, нічим не пов'язаними: земним магнетизмом, жіночої вуаллю, поляризованим світлом, природним відбором, теорією груп, інваріантами і перетвореннями, ..., будовою простору, малюнками ваз, квантовою фізикою, ..., пелюстками квітів, інтерференційної картиною рентгенівських променів, поділом клітин морських їжаків ,..., рівноважними конфігураціями кристалів, .. ., теорією відносності, ...".
У широкому розумінні, симетричне означає гарне співвідношення пропорцій, а симетрія - той вид узгодженості окремих частин, який об'єднує їх у ціле.
Симетрія має два значення:
- Вельми пропорційне, збалансоване, спосіб узгодження багатьох частин, який би в ціле (наслідок симетрії - закони збереження класичної фізики);
- Рівновага (за Арістотелем, цей стан характеризується співвідношенням крайнощів).

1. Симетрія природи
Початок стрункої симетрії заклала фізика в теорії кристалів, що зафіксовано в роботах І. Ф. Гессель (1796 -1872) в 1830 р ., Л. В. Гадоліній (1828 - 1892) в 1867р., А. Шенфліса (1853 - 1928) в 1890 р . Спочатку мова йшла про геометричні перетворення системи: її перенесення і поворотах.
Фундаментальність значення подальшого розвитку вчення про симетрії в тому, що кожному безперервному перетворенню відповідає відповідний закон збереження, який в подальшому був поширений з механіки і на квантову фізику.
Так, основний принцип сучасних калібрувальних теорій фундаментальних взаємодій Природи полягає в тому, що переносниками взаємодій виступають певні зберігаються величини, що володіють симетрією, що визначають динаміку системи і тим самим дозволяють сподіватися на здійснення створення теорії "Великого об'єднання взаємодій", включаючи теорії гравітації.
Основним типами симетрії (С, Р, Т) було дано визначення в попередньому розділі, але симетрію З розглянемо ще раз. Сильні електромагнітні взаємодії інваріантні відносно операції зарядового спряження: заміна всіх частинок на відповідні античастинки. Ця симетрія не є просторовою і розглядається особливо у зв'язку з тим, що характеризує симетрію незвичайного виду - зарядовим парності, в якій нейтральна частинка переходить сама в себе при зарядовим спряженості.
Завдяки існуванню СРТ-і СР-симетрій як для сильних, так і електрослабких взаємодій виконується симетрія щодо звернення часу, тобто будь-якого руху під дією цих сил відповідає в Природі симетричне рух, при якому система проходить у зворотному порядку всі стани що і в початковому русі , але із зміною на протилежні напрямками швидкостей частинок, спинами, магнітними полями. З Т-симетрії слідують співвідношення між прямими та зворотними реакціями.
Саме симетрія, щодо перестановки однакових частинок, обгрунтовує принцип нерозрізненості однакових частинок (див. розд. 3.9), тобто приводить до повної їх тотожності. Зв'язок спина і статистики є наслідком релятівістсюй інваріантності теорії і тісно пов'язана з СРТ-теоремою. Під внутрішніми симетріями розуміють симетрії між частинками і полями з різними квантовими числами. При цьому розрізняють глобальні та локальні симетрії.
Симетрія називається глобальної, якщо параметр перетворення не залежить від просторово-часових координат точки, в якій розглядається полі. Її прикладом є інваріантність лагранжіану щодо каліброваних перетворень входять до нього полів. Ця інваріантність призводить до адитивного закону збереження заряду, причому не тільки електричного, але і баріонів, лептонного, дивацтва і т. д.
Локальні симетрії існують, коли параметри перетворень для глобальних симетрії можна розглядати як довільні функції просторово-часових координат. Вони дозволяють побудувати теорію, в якій зберігаються величини (заряди) виступають в якості джерел особливих калібрувальних полів, що переносять взаємодія між частинками, що володіють відповідними зарядами.
Динамічна симетрія системи виникає, коли розглядається перетворення, що включає переходи між станами симетрії з різними енергіями.
Найбільш розроблена теорія симетрії кристалів. У ній під симетрією розуміється їх властивість поєднуватися з собою при поворотах, відображеннях, паралельних перенесення або при частини або комбінації цих операцій.
Симетрія зовнішньої форми (огранювання) кристала визначається симетрією його атомної, дискретного тривимірно-періодичного будови, яка обумовлює також і симетрію фізичних властивостей кристала.
Симетрія кристалів проявляється не тільки в їх структурі і властивостях у реальному тривимірному просторі, але також і при описі енергетичного спектру електронів кристалу (зонна теорія), при аналізі процесів дифракції: рентгенівських променів нейтронів і електронів в кристалах з використанням оберненого простору (зворотна грати) і т. п.
При утворенні симетрії простір не деформується, а перетвориться як жорстке ціле. Такі перетворення називають ортогональними, або ізотермічними. Сукупність операцій симетрії даного кристала утворює групу симетрії в сенсі математичної теорії груп.
Знаючи групу симетрії кристалів, можна вказати можливість наявності або відсутності в ній деяких фізичних властивостей, чим і займається кристалофізики.
В основі визначення симетрії лежить поняття рівності при перетворенні. Однак фізично (і математично) об'єкт може бути рівний собі за одними ознаками і не дорівнює за іншим. Наприклад, розподіл ядер і електронів в кристалі антиферомагнетиках можна описати за допомогою звичайної просторової симетрії, але якщо врахувати розподіл у ньому магнітних моментів, то звичайною, класичної симетрії вже недостатньо. До подібного роду узагальнень симетрії відносяться антісімметрія і кольорова симетрія. У антісімметріі на додаток до трьох просторових змінним додається четверта ± 1, що можна витлумачити як зміна знаку (антіравна). Це так звана узагальнена симетрія, використовувана в описі, наприклад, магнітних структур.
Інше узагальнення симетрії - симетрія подібності - буде визначено, коли рівність частин фігури замінюється їх подобою, криволінійна симетрія, статистична симетрія, що вводиться при описі структури разупорядкований кристалів, твердих розчинів, рідких кристалів і т. п.
У фізиці елементарних частинок симетрія широко використовується у зв'язку з ідеєю ізотопічний інваріантності, запропонованої В. Гейзенбергом для опису взаємодій протона і нейтрона. Вважається, що Ізотопічна симетрія описує точне властивість інваріантності сильних взаємодій, хоча отримані з неї співвідношення в дійсності завжди порушуються на рівні точності порядку декількох відсотків.
Унітарна симетрія в якості узагальнення ізотопічний інваріантності вперше з'явилася у зв'язку з моделлю симетрії Саката, в якій всі адрони вважалися складеними з трьох основних електричних частинок - протона, нейтрона і d-гіперонів.
Унітарна симетрія здійснюється з гіршого точністю, ніж Ізотопічна, але це не заважає отримувати низку цікавих співвідношення між фізичними величинами (наприклад, формула мас Гелл-Манна-Окубо, передбачив існування і масу Q-гіперон).
Ще один додаток групи симетрії до фізики адронів - це колірна симетрія. Відповідно до визначення колірної симетрії кожен кварк має три можливі стани, що розрізняються за квантовому числу, названому кольором, а перетворення колірного стану можна проводити незалежно в різних просторово-часових точках. З цим пов'язане існування глюонного поля, що має вісім колірних станів. Взаємодія кварків з цим полем є мікроскопічною основою сильних взаємодій. Воно описується квантової хромодинаміки - калібрувальної квантової теорії поля типу Янга-Міллса. Крім того, колірна симетрія не порушується ні відомими в даний час взаємодіями, а згідно теоремі Нетер випливає, що в стандартній моделі сильного і електрослабкої взаємодій виникає збереження баріонного і лептонні-го чисел.
2. Закони збереження
Кількість законів Природи велике, але вони нерівнозначні по сфері застосування.
Найбільш численні закони, що описують електричні явища, сформульовані на основі узагальнення експериментальних даних. Часто вони носять наближений характер, і область їх застосування досить вузька. Наприклад, закон Гука - для області невеликих деформацій, тобто до досягнення межі плинності твердого тіла, інакше до кордону, після якої деформації стають незворотними після зняття навантаження. Закон Гука висловлює зовнішній спостережуваний ефект. Внутрішня ж природа явища в тому, що атоми і молекули складаються з електрично заряджених частинок, сили тяжіння і відштовхування в яких врівноважені. Деформація порушує їхні внутрішні електричне рівновагу, яке після зняття навантаження відновлюється. Таким чином, сили пружності по суті електромагнітні сили або по суті чисто електричний ефект; закон валентності при утворенні хімічних сполук визначає створення спільних електронних пар, тобто внутрішньо це теж електричний ефект.
Однак для опису зовнішнього поведінки системи цілком можна не вдаватися до складних рівнянь електродинаміки. Аналогічно в термодинаміці або хімічних законах не розглядають квантові внутрішні ефекти, що пояснюють поведінку термодинамічної або хімічної системи зсередини.
Такі закони є приватними.
Якщо ж ми абстрагуємося від зовнішнього ефекту і розкриємо його внутрішній механізм, то цілий ряд на перший погляд не пов'язаних явищ об'єднається в класи або системи. Ці системи явищ можна буде описати єдиним законом, званим фундаментальним.
У класичній механіці їх чотири: закони Ньютона і всесвітнього тяжіння. Але й вони діють лише в області макросвіту. Так, для мікрочастинок неможливо вказати точно значення прискорень і сил, тобто втрачається сам сенс понять, використовуваних у формулюванні закону.
Інша справа закони збереження. Вони не втрачають свого сенсу при заміні однієї системи на іншу, тобто базуються на евристичному принципі, дозволяє незалежно від накопиченого досвіду відбирати більш досконалі закони. Вони можуть і не давати повного опису явищ, а лише накладати певні заборони на їх реалізацію для побудови нових теорій. Тоді їх називають принципами.
Якщо і далі узагальнювати фундаментальні закони, ще глибше занурюються у внутрішню структуру: від атома до елементарних частинок, а потім і до їх структурі, і на базі цього будувати теорії і виводити закони, то останні і будуть називатися універсальними. Наприклад, теорія Великого об'єднання взаємодій намагається об'єднати чотири відомих взаємодії, тобто звести їх до однієї Природі. Для таких законів характерний елемент симетрії. У першому наближенні під симетрією розуміють допущення будь-яких перетворень системи, а структура математичної формулювання закону при цьому не змінюється. Щоб зрозуміти, що таке симетрія фізичного закону, потрібно дати цьому визначення в математичних термінах. Для дослідження симетрії предметів необхідно розглянути безліч всіх переміщень простору і виділити ті з них, при яких даний предмет відображається сам на себе. Безліч таких перетворень називається групою симетрії. Наприклад, прямокутник. Його симетричність виявляється при перетворенні простору, два зар-Кальний відображення відносно двох осей симетрії, поворот площини на 180 ° і тотожне перетворення площині залишають фігуру незмінною. Група його симетрії містить чотири елементи.
Можна розширити поняття симетрії і назвати групою симетрії такі перетворення простору і часу, при яких форма запису рівнянь або комбінації фізичних величин залишаються незмінними. Саме в цьому сенсі говорять про симетрії фізичних законів.
Закони збереження поширюються на весь діапазон фізичних явищ: від мікро-до макротіл.
Закон - внутрішня, суттєва і стійкий зв'язок явищ, що зумовлює їх впорядковане зміна.
Закономірність - сукупність взаємопов'язаних законів, що забезпечують стійку тенденцію або спрямованість у змінах системи.
Закони збереження - фізичні закономірності, згідно з якими чисельні значення деяких фізичних величин не змінюються з часом.
Широко відомий закон, математично виражений Ейнштейном формулою Е = ПДС 2, ставитися до законів збереження. Він є фундаментальним, визначає межі застосовності класичних уявлень при описі властивостей мікросвіту. Він дозволив не тільки обгрунтувати періодичну систему елементів, а й пояснити насиченість електронних оболонок, властивості пара-і діамагнетиків, квантову хімію та інші, побудувати сучасну теорію елементарних частинок і квантову теорію поля. А на базі квантової механіки потім створили цілий ряд сучасних технологій, мікроелектроніку, лазери, ЕОМ, нові матеріали.
У 1845 р . Л. Майер (1820 -1895) видав роботу "Органічне рух у зв'язку з обміном речовин", де послідовно і схематично виклав вчення про збереження і перетворення енергії. Суть цього вчення в наступному: в Природі є вагома і непрозора матерія, а решта - сили (енергія). Рух є сила, воно вимірюється величиною "живої сили" (кінетичної енергії). Тому можливі тільки перетворення сил. Джерелом всіх сил на Землі є Сонце. Життєдіяльність живих організмів розглядається з точки зору перетворення форм енергії. Його метод: різниця питомих теплоємностей прирівнюється роботі (С р - C v = R), де R - співвідношення теплоємностей і газової постійною. Рівняння носить ім'я Майера, він же отримав експериментальним шляхом механічний еквівалент теплоти 4,19 Дж / ккал.
Д. Джоуль і, незалежно від нього, X. Ленц (1804-1865) відкрили закон - кількість теплоти, виділеної струмом, пропорційно квадрату сили струму та опору. Q = I 2 R.
Закон збереження і перетворення енергії іноді називають першим початком термодинаміки.
У більшості хімічних і фізичних процесів зміна маси недоступне виміру, а загальний закон збереження маси, застосовуваний від астрономії до зоології, був встановлений у різних науках окремо. Таким чином, у загальному випадку була розроблена єдина методика визначення енергоємності речовин на основі згоряння речовин у чистому кисні, що дозволяє без особливих втрат передати теплоту воді і виміряти її.
У 1822 р . французький математик Ж. Б. Фур'є (1768-1830), досліджуючи теплові процеси, вивів диференціальні рівняння теплопровідності (закон Фур'є) і розробив методи інтегрування в роботі "Аналітична теорія тепла", використовуючи розкладання функцій в тригонометричний ряд - ряд Фур'є. Так увійшли в математичну і теоретичну фізику ряди Фур'є та інтеграл Фур'є.
Російський академік Г. І. Гесс (1802 - 1850), досліджуючи хімічні реакції, в своєму законі пов'язував збереження і перетворення речовини, включаючи теплове, а отже, підтвердив закони збереження і перетворення енергії.
Слідом за Джоулем, Томсоном (лордом У. Кельвіном) (1824 - 1907) і Г. Гельмгольцем (1821 - 1894), Р. Клаузіус (1822 - 1888) застосував закон збереження і перетворення енергії до електричних явищ (1852), звернувши увагу на те, що між витраченої роботою і отриманої теплотою спостерігається сталість співвідношення тільки при циклічних процесах - тіло періодично повертається у вихідний стан.
Томсон застосував цей закон до світлових явищ, хімічних процесів та життєдіяльності живих організмів, а потім до електричних і магнітних явищ, встановивши вираз для енергії магнітного поля у вигляді інтеграла Фур'є, взятого за обсягом.
Отже, закон збереження і перетворення енергії придбав права загального закону Природи, що об'єднує живу і неживу Природу у вигляді першого початку термодинаміки - зберігається енергія (а не теплота).
Під законами збереження, поряд зі збереженням повної енергії, розуміють збереження імпульсу і моменту імпульсу - вони визначають динаміку і галактик, і елементарних частинок, а також ряд інших законів збереження, наприклад закон збереження дивацтва і деяких квантових чисел.
Розрізняють два види енергії: потенційну та кінетичну.
Поняття потенційної енергії тіла вводиться для сил, робота яких визначається тільки положенням початкової і кінцевої точок траєкторії. Такі сили називають консервативними. Робота неконсервативних сил залежить від форми траєкторії, наприклад, сили тертя.
Кінетична енергія - це енергія маси, що рухається під дією неконсервативних сил, а тому правильніше говорити про її збільшенні, що дорівнює роботі всіх сил, прикладених до тіла. Це можуть бути сили пружності, тяжіння, тертя і т. д.
Зв'язок симетрії простору і законів збереження була викладена німецьким математиком Е. Нетер (1882-1935) у формі фундаментальної теорії: однорідність простору і часу тягне закони збереження імпульсу та енергії, а ізотропних простору - збереження моменту імпульсу та енергії.
Встановлення зв'язку між властивостями простору і часу і законами збереження виражається у варіаційному принципі.
Закон зміни повної енергії
Суму кінетичної і потенційної енергій називають повною енергією тіла. Вона включає кінетичну енергію, яка завжди позитивна, і потенційну, яка може бути як позитивною, так і негативною. Таким чином, повна енергія може бути будь-якого знака і дорівнює нулю. Один з найважливіших законів механіки говорить: приріст повної енергії тіла дорівнює роботі неконсервативних сил.
Закон збереження повної енергії
Якщо неконсерватівние сили відсутні або їх робота дорівнює нулю, то повна енергія не змінюється, тобто має одне і те ж значення в будь-який момент часу.
Закон збереження повної енергії системи тіл
Якщо в замкнутій системі діють сили тертя, то повна енергія системи зменшується, що не означає її зникнення. Наявність тертя призводить до збільшення кінетичної енергії руху молекул і потенціальної енергії їх взаємодії за рахунок зменшення повної енергії. Збереження повної енергії замкнутої системи, яка дорівнює сумі повної і внутрішньої енергій, є окремим випадком загального закону збереження і перетворення енергії всіх форм руху матерії.
Закон збереження енергії в застосуванні до теплових процесів виражений у першому початку термодинаміки. При цьому у багатоатомних молекулах кінетична енергія складається з трьох незалежних частин - енергії руху молекули як цілого, обертальної енергії та коливальної енергії ядер.
Передача тепла можлива, крім тертя, теплопровідність, конвенцією, випромінюванням.
З законами збереження енергії тісно пов'язаний закон пропорційності, або взаємозв'язку маси і енергії (цей зв'язок зовсім універсальна): зміна маси тіла прямо пропорційно зміни повної енергії або збільшенню кінетичної і власної (потенційної) енергії.
Закон збереження імпульсу
Даний закон являє собою результат симетрії щодо паралельного переносу досліджуваного об'єкта в просторі, суть - однорідність простору. Так, у порожньому просторі імпульс зберігається в часі, а при наявності взаємодії швидкість його зміни визначається сумою прикладених сил. У випадку системи матеріальних точок, їх повний імпульс визначається як векторна сума всіх імпульсів, що складають систему матеріальних точок.
Системи, на які не діють зовнішні сили, називають замкненими. Переважна більшість законів сформульована саме для таких систем.
Закон збереження моменту імпульсу
Він являє собою приклад симетрії щодо повороту в просторі (ізотропних простору).
Цей закон є наслідок незмінності світу по відношенню до його поворотам у просторі.
Ця властивість використовується, зокрема, в гіроскопах та інших навігаційних системах.
Всі ці закони збереження не тільки фундаментальні, а й універсальні в межах мікро-, макро-і мегасвіті.
Закон збереження заряду
Цей закон є наслідок симетрії щодо заміни описують систему параметрів на їх комплексно-зв'язані значення.
Релятивістська інваріантність заряду і закон збереження заряду ізольованої системи взаємно обумовлюють один одного і приймаються як вихідного положення класичної електродинаміки.
Закон збереження парності
Цей закон передбачає симетрію щодо інверсії (дзеркального відображення).
Обидва закони діють у мікро-і мегасвіту для елементарних частинок.
Закон збереження ентропії
Цей закон є наслідок симетрії щодо звернення часу.
В даний час інших фундаментальних законів збереження чітко формулювати не представляється можливим. Однак це не означає, що кількість їх обмежено.

ВИСНОВОК:
Симетрія - це категорія, що позначає процес існування та становлення тотожних об'єктів, в певних умовах і в певних відносинах між різними і протилежними станами явищ світу.
Це визначення накладає методологічні вимоги: при вивченні явища, події, стану рухомої матерії, перш за все необхідно встановити властиві їм відмінності і протилежності, потім вже розкрити, що в ньому є тотожного і за яких умов і в яких відносинах це тотожне виникає, існує і зникає . Звідси загальні правила формування гіпотез: якщо встановлено існування якогось явища, стану або якихось їхніх властивостей і параметрів, то необхідно припускати й існування протилежних явищ, протилежних властивостей і параметрів; у свою чергу, необхідно далі постулювати, що між протилежними умовами в якихось відносинах і умовах виникають і існують тотожні моменти. У цих двох правилах виражається застосування поняття симетрії в конкретних дослідженнях.
Асиметрія - категорія, що означає існування і становлення в певних умовах і відносинах відмінностей і протилежностей всередині єдності, тотожності, цілісності явищ світу.
Симетрія і асиметрія доповнюють один одного, і шукати їх потрібно одночасно.
Історія науки показує, що симетрія дозволяє пояснити багато явищ і передбачити існування нових властивостей Природи.
У природознавстві переважають визначення категорій симетрії і асиметрії на підставі перерахування певних ознак. Наприклад, симетрія визначається як сукупність
Властивості симетрії простору і часу пов'язують і визначають і закони збереження: з однорідністю часу пов'язаний закон збереження енергії; з однорідністю простору - збереження імпульсу, з изотропией - збереження моменту імпульсу.

ЛІТЕРАТУРА:
Вейль Г. Симетрія. - М.: Наука, 1975.
Горохів В. Г. Концепції сучасного природознавства. -М: Инфра-М, 2000.
Горелов А. А. Концепції сучасного природознавства. -М.: Центр, 1997.
ДруяновЛ. А. Закони природи і їх призначення. - М.: Просвещение, 1982.
Дубніщева Т. Я. Концепції сучасного природознавства. - К.: ЮКЕА, 1997.
Карпенко С. X. Основні концепції природознавства. - М.: Культура і спорт, 1998.
Князєва Е. Н., Курдюмов С. П. Закони еволюції і самоорганізації складних систем. - М.: Наука, 1994.
Компанієць. С. Симетрія в мікро-і макросвіті. - М.: Наука, 1978.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Біологія | Реферат
49.6кб. | скачати


Схожі роботи:
Закони збереження і симетрія
Закони збереження
Закони збереження симетрії
Закони збереження в ядерних реакціях
Принцип еквівалентності і закони збереження
Закони збереження макросвіту і мікросвіту
Закони збереження та принципи діють у природі
Закони природи і астрономія
Охорона і збереження природи всього живого на землі
© Усі права захищені
написати до нас