Единство природы. Симметрия

Встреча с симметрией. Фундаментальность законов сохранения обусловлена связью этих законов со свойствами симметрии. С детства мы привыкли к симметрии зеркала. Зеркальный мир похож на наш, и, все-таки, чуть-чуть другой. Конечно, зеркальная симметрия только частный случай, виды симметрии очень разнообразные. Обратимся к нашему опыту осмысления феномена симметрии, используя возможности художественного способа познания мира.

Симметрия пространства и времени. Для людей, недостаточно знакомых с понятием симметрии, может показаться странным, что наше обычное пространство обладает некой симметрией. Тем не менее, оказывается, что эта симметрия весьма «богатая», и из нее вытекают важные следствия.

Симметричные объекты и их свойства. Закон Всемирного тяготения справедлив для тел, которые можно считать материальными точками, или для тел сферической симметрии.

Почему же тела должны быть сферически симметричными? Во-первых, нужно разобраться, что значит симметрия некоторого объекта? Определение, которое мы дадим, не очень строгое, но простое для понимания. Если при некоторых преобразованиях объект переходит сам в себя, то он обладает свойствами симметрии относительно этих преобразований. Преобразования симметрии могут быть разными. В частности, к пространственным преобразованиям симметрии относятся повороты, отражения относительно какой-либо плоскости, перемещения в пространстве, а также различные комбинации этих преобразований.

Сферически симметричный объект, это объект, который при поворотах на любой угол относительно любой оси, проходящей через центр симметрии, переходит сам в себя. Конечно же, земной шар лишь приближенно обладает сферической симметрией, однако в большинстве интересующих исследователей случаев это приближение достаточно хорошее.

Нарушенная симметрия. Вернемся теперь к зеркальной симметрии. Конечно же, наше отражение в зеркале отличается от нас. У нашего «двойника» немного другая прическа, возможно, родинка не на правой, а на левой щеке. Еще большая асимметрия во внутренних органах – сердце справа, полушария мозга также переместились справа налево. И все же, эта асимметрия носит случайный характер. Можно представить себе человека с зеркально симметричной прической и родинкой. Да и сердце у некоторых индивидуумов, правда в виде исключения, может находиться справа.

Гораздо более важной оказывается асимметрия на молекулярном уровне. Оказывается, что у всех организмов двойная спираль молекулы ДНК имеет правую спиральность, то есть молекула эквивалентна правому (обычному) винту (см. рис. 57 из § 29). О подобной асимметрии мы уже рассказывали, она характерна и для других полимерных молекул, входящих в состав живых организмов – белков, сахаров и др.

В такой асимметрии не было бы ничего странного, если бы законы, определяющие свойства и строение молекул были бы также асимметричны. Однако ядра атомов, электроны и электромагнитное взаимодействие, связывающее ядра и электроны в молекулу обладают зеркальной симметрией. То есть, несмотря на исходную симметрию, в природных объектах проявляется зеркальная асимметрия. Это явление называется нарушением симметрии. Произошло такое нарушение, по-видимому, случайно на некотором этапе эволюции живой материи. Возможно, среди первичных простейших биологических систем были как правые, так и левые. Однако, начиная с некоторого момента, правые стали доминировать, а левые естественным отбором были «отброшены».

Вследствие нарушения зеркальной симметрии в живой природе организм животных усваивает лишь молекулы сахаров и белков определенного типа симметрии и практически не усваивает соответствующие зеркально симметричные молекулы. Обращаясь к эпиграфу в начале параграфа, можно образно сказать, что обычной кошке «зеркальное молоко» оказалось бы бесполезным. Другое дело, если бы при перемещении кошки в «зазеркалье», все составляющие ее молекулы заменились бы на зеркально симметричные.

Подобное нарушение симметрии (не обязательно связано с зеркальным отражением) встречается, конечно, не только в объектах живой природы. Обычная жидкая вода обладает изотропными свойствами (подобно изотропности пространства). Эта изотропия пропадает при превращении воды в лед. Кристаллики льда имеют выделенные направления, хотя исходные законы, «по которым строится кристалл», обладают свойствами изотропии.

Долгое время считалось, что все фундаментальные взаимодействия также симметричны по отношению к зеркальному отражению. Лишь относительно недавно были получены экспериментальные факты того, что слабое взаимодействие обладает свойствами зеркальной асимметрии. Поскольку слабое взаимодействие играет роль только на уровне элементарных частиц, то соответствующие эффекты проявляются только в микромире. Возможно, что асимметрия слабого взаимодействия тоже связана с нарушением симметрии.

Упомянем еще об одном нарушении симметрии в нашем мире. Как вы уже знаете, каждой элементарной частице соответствует своя античастица. Фундаментальные законы симметричны по отношению к замене частиц на античастицы. Это означает, что наряду с обычным веществом (положительное ядро и отрицательные электроны) может существовать и антивещество (отрицательное ядро и позитроны вместо электронов). Однако пока все астрономические данные свидетельствуют о том, что нигде в нашей Вселенной антивещество не наблюдается. В настоящее время предполагается, что симметрия между веществом и антивеществом была нарушена в первые доли секунды рождения Вселенной.

Явление нарушения симметрии заключается в том, что, несмотря на симметрию исходных фундаментальных законов, описывающих некоторые объекты, в природе наблюдается асимметрия соответствующих объектов. Подобное нарушение симметрии часто встречается в природе.