Июл 16 2012
Что означает симметрия во Вселенной
При слове «симметрия» многие читатели вспомнят, наверное, о красоте огранки кристаллов, соразмерности архитектурных шедевров или изяществе орнаментов. Однако симметрия во Вселенной — это не просто красота, но и особая правильность, закономерность, которая управляет ходом многих процессов. Это утверждение можно подкрепить примерами из самых разных областей физики. Но что означает симметрия во Вселенной и какие постулаты физики она порождает. Это поразительно!Симметрия кристаллов относится к типу дискретных — скажем, правильную шестигранную призму кристаллической решетки графита можно совместить саму с собой лишь при повороте на вполне определенные углы — 60° , 120° , 180° и так далее.
Но симметрия может быть и непрерывной, как у цилиндра, который совпадает сам с собой при повороте вокруг оси на любой угол. Если система обладает некоторой непрерывной симметрией, то, согласно известной из теоретической механики теореме Нетер, в такой системе выполняется закон сохранения некоторой величины, соответствующей этой симметрии. К примеру, пространство нашей Вселенной однородно — для хода процессов в нем не имеет значения, в какой точке они происходят (естественно, если все внешние условия остаются прежними). Из этой симметрии вытекает закон сохранения импульса. Кроме того, пространство изотропно — на процессы не влияет направление осей координат. Отсюда следует закон сохранения момента импульса. Однородно и время — процессы не зависят от того, в какой момент они начинаются. Из этого естественного, казалось бы, факта вытекает — ни много, ни мало — закон сохранения энергии. Симметрия же относительно поворота системы координат в четырехмерном пространстве-времени есть не что иное, как другая формулировка знаменитого принципа относительности.
В физике микромира, однако, более важны дискретные виды симметрии, которых здесь к тому же гораздо больше, чем привычных нам пространственных симметрий в кристаллографии или классической механике. Так, абсолютно симметричны между собой (неразличимы) частицы одного сорта. Из этой симметрии следует, в частности, что частицы с полуцелым спином (фермионы) подчиняются совсем иным статистическим законам, чем частицы с целым (бозоны). В некотором математическом смысле симметричны протон и нейтрон, положительный, отрицательный и нейтральный пи-мезоны, многие другие частицы. Именно это и позволяет физикам предугадывать свойства еще не открытых частиц.
По современным представлениям, особой «внутренней» симметрией обладает даже вакуум. Согласно некоторым теориям, в прошлом в вакууме могли происходить перестройки — фазовые переходы с изменением симметрии, при которых выделялась огромная энергия (подобно тому, как выделяется тепло при знакомом всем фазовом переходе — замерзании воды).
Как видим, роль симметрии в нашем мире очень велика. Но, быть может, еще больше роль так называемых спонтанных нарушений симметрии, которые всегда возникают в реальных системах. Чтобы понять, что это такое, представим шарик, который падает на верхнюю точку полусферы, окруженной желобом.
Чтобы симметрия в такой системе не нарушилась, шарик должен остаться в том месте, на которое упал, но такое положение энергетически невыгодно и потому неустойчиво. Шарик неизбежно скатится в какую-то точку желоба, ничем до этого не выделявшуюся среди остальных.
Спонтанное нарушение симметрии лежит в основе единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий: именно им объясняется появление массы у промежуточных векторных бозонов — частиц, переносящих такое взаимодействие. Интересный случай нарушения симметрии встречается в живой природе.
Нарушение симметрии в живой природе
Молекулы 19 из 20 аминокислот, из которых состоит любой природный белок, существуют в двух зеркально-симметричных модификациях, но в состав живых организмов входят только левые аминокислоты. Если даже искусственно синтезировать белок из правых аминокислот, он не будет усваиваться организмом — правые аминокислоты не вступают в биохимические реакции. В живых организмах нарушение симметрии встречается и на макроскопическом уровне — скажем, сердце у человека находится слева, а не в центре грудной клетки. Не исключено, что самим существованием жизнь обязана спонтанным нарушениям симметрии.
НиЖ, 4, 1991
