Реферат По истории и философии науки Тема реферата: «Законы сохранения и принципы симметрии»
Скачать 280.08 Kb.
|
3. Симметрия в физике Анализ развития физики позволяет заметить, что по трудному пути к идеалу — единой картине мира — ее вела идея симметрии. С помощью представления о симметрии человек пытается понять порядок, красоту и совершенство природы. Первоначальный смысл симметрии — это соразмерность, сходство, подобие, порядок, ритм, согласование частей в целостной структуре. Симметрия и структура неразрывно связаны. Если некоторая система имеет структуру, то она обязательно имеет и некоторую симметрию. Идея симметрии имеет исключительное значение и как ведущее начало в осмыслении структуры физического знания. Едва ли можно оспаривать эвристическую ценность и методологическое значение принципа симметрии. Известно, что при решении конкретных физических проблем этот принцип играет роль критерия истинности. С древних времен идея симметрии оказывала огромное влияние на развитие научной мысли. На эту идею еще при своем возникновении опирались натурфилософия, космология и математика. Пифагорейцы создавали первые космологические системы центрально-симметричной Вселенной, они разработали учения о пропорциях, о музыкальных тонах и о пяти симметричных многоголосиях, отождествлявшихся с основными природными стихиями. Гиппас ввел термин “симметрия”, который буквально означал “соразмерность”. Идеи симметрии, гармонии и сохранения были основными в структуре древнегреческой мысли и понимались как переходящие друг в друга. Анаксимандр, Анаксимен и Гераклит создали учение о вечном космосе, который периодически возникает и умирает. Учение Левкиппа и Демокрита о пустоте и вечных и неизменных, но движущихся атомах основано на идее симметрии, гармонии и сохранения материи. Взгляды Пифагора и его школы получили дальнейшее развитие в платоновском учении о познании. Особый интерес представляют взгляды Платона на строение мира, который, по его утверждению, состоит из правильных многоугольников, обладающих идеальной симметрией. Для Платона характерно соединение учения об идеях с пифагорейским учением о числе. Более поздние естествоиспытатели и философы, занимавшиеся разработкой категории симметрии, это Р. Декарт и Г. Спенсер. Р. Декарт писал: "Каково бы ни было то неравенство и беспорядок, которое, как мы можем предположить, были с самого начала установлены богом между частицами материи, почти все эти частицы должны по законам природы приблизиться к средней величине и среднему движению". Таким образом, по Декарту, бог, создав асимметричные тела, придал им «естественное» круговое движение, в результате которого они совершенствовались в тела симметричные. Характерно, что к наиболее интересным результатам наука приходила именно тогда, когда устанавливала факты нарушения симметрии. Следствия, вытекающие из принципа симметрии, интенсивно разрабатывались физикам в прошлом веке и привели к ряду важных результатов. Такими следствиями законов симметрии являются прежде всего законы сохранения классической физики. Во время Ренессанса идея симметрии, забытая в период средневековья, была возрождена. Николай Кузанский формулирует основы концепции однородного изотропного, бесконечного пространства. У Леонардо да Винчи зреет мысль об однородности времени. Аргументы, основанные на идее симметрии, появляются в учении Н. Коперника. Система Коперника играет важную роль в восприятии идеи пространственно-временной симметрии, необходимой для развития классической механики. Дж. Бруно отстаивает мысль о бесконечном однородном изотропном пространстве. Г. Галилей формулирует принципы инерции и относительности. Он, а также И. Кеплер, Р. Декарт и X. Гюйгенс развивают идеи о пространственно-временной симметрии до такой степени, что они становятся фундаментальными в “Началах” И. Ньютона. Введение понятий абсолютного пространства и абсолютного времени в ньютоновской механике приводит к объединению локальной и космологической симметрий в единую симметрию. Однако зародившийся в начале XVII в. теоретико-инвариантный подход не смог получить полного развития. Позднее, в эпоху аналитической механики, установился стиль, при котором физическая теория рассматривалась формально как математическая теория дифференциальных уравнений. Л. Эйлер, Ж. Даламбер, Ж. Лагранж выдвинули на первый план аксиомы динамики. Динамический подход не нуждался в явном виде в идее симметрии, но опирался на нее неявным образом. И во второй половине XVII в. идея симметрии временно потеряла свое фундаментальное и эвристическое значение. Законы сохранения утратили свои основные позиции и стали теоремами — вычислялись как интегралы движения. Такой стиль мышления господствовал до начала нашего столетия, когда на передний план был снова выдвинут теоретико-инвариантный подход. Стало ясным, что переход от динамического к теоретико-инвариантному стилю мышления стал неизбежным. Еще в середине XIX в. постепенно усиливался интерес к принципам симметрии и сохранения. Этот процесс стал результатом действия двух факторов. С одной стороны, физика освобождалась от тесных рамок механики. Формировались и быстро развивались новые области физики - термодинамика, оптика, электродинамика. Ю. Майер открыл закон сохранения и превращения энергии. С другой стороны, развивались новые математические теории - теория групп, неевклидова геометрия. В классической физике XVII—XIX вв. идея симметрии не была явно связана с принципами относительности и инвариантности. Как известно, в физике термин “симметрия” идет от натурфилософии и геометрии, и применялся он, прежде всего в кристаллографии, которая в отличие от механики не считалась фундаментальной. Первым вне рамок физики кристаллов использовал идею симметрии П. Кюри, рассуждавший в 1894 г. о симметрии электрических и магнитных полей. Но идея Кюри осталась неразработанной и не оказала влияния на развитие физики. И только в последнее время, после работ Е. Вигнера, принципы инвариантности и относительности в качестве физических законов стали пониматься явным образом как принципы симметрии. Инвариантный подход формируется и утверждается с появлением специальной теории относительности. В рамках этого подхода физические теории рассматриваются как теории инвариантов некоторых групп преобразований. Дальнейшее развитие идеи относительности - создание общей теории относительности, релятивизация различных физических теорий, опыт разработки единой теории поля, создание релятивистской космологии (работы А. Эйнштейна, В. де Ситтера, А.А. Фридмана) - принесли новые успехи в этом направлении еще в первой четверти нашего столетия. Э. Нетер выяснила связь между принципом симметрии и принципом сохранения. Окончательно утвердился инвариантный подход и в квантовой теории. В 1930 г. П. Дирак писал: “ Теория преобразований, которая прежде всего была использована в теории относительности, а вслед за этим и в квантовой теории, выражает сущность нового метода в теоретической физике. Ее современный прогресс состоит в том, что наши уравнения становятся инвариантными относительно все более широкого класса преобразований”. И поистине, успехи современной физики элементарных частиц немыслимы без теории инвариантов. Принцип симметрии пронизывает все структуры современной физики. Как методологический принцип, он лежит в основании различных физических теорий и определяет структурную организацию современной физической теории как целого. Детально анализируя различные конкретные виды симметрии, Н.Ф. Овчинников пришел к выводу, что в абстрактном виде принцип симметрии представляет собой единство противоположностей: изменения и сохранения. “Единство сохранения и движения, - пишет он, - такова краткая формулировка симметрии, выраженная на абстрактно-теоретическом уровне”. Такое определение симметрии представляется наиболее общим и применимым для всякого случая. Симметрия означает, что при некоторых преобразованиях сохраняются некоторые вещи, свойства и отношения. Сохранение означает тождество, а преобразования соответствуют изменениям, которые испытывает данное тождество. В этом смысле если сохранение указывает на абстрактное, неизменное тождество, то симметрия соответствует конкретному, изменяющемуся в тождестве. Иными словами, симметрия есть конкретное сохранение. Путь познания от принципа сохранения к принципу симметрии представляет собой восхождение от абстрактного к конкретному. Как принцип сохранения, так и принцип симметрии, по утверждению Н.Ф. Овчинникова, являются “генерализующими принципами”. Этот исследователь сформулировал закон сохранения симметрии, в соответствии с которым при всяком нарушении симметрии устанавливается новый, высший вид симметрии. Открытие некоторой асимметрии не означает отрицания принципа симметрии. “Правое” и “левое” сами по себе асимметричны, но взятые вместе как единство противоположностей составляют высшую симметрию. Вообще, асимметрия необходима как противоположность симметрии. Асимметрия и симметрия в единстве образуют высшую метасимметрию. Анализируя действие принципа симметрии в различных проблемных ситуациях, В.П. Визгин отмечает два дополнительных момента: с одной стороны, симметрия и ее нарушения выступают как источник проблемной ситуации и одновременно симметрия служит методом ее преодоления, а с другой стороны, априоризация (“замораживание”) определенного вида симметрии препятствует разрешению проблемной ситуации. Первым шагом к прояснению проблемы является открытие инвариантности, установление симметричных элементов. В самом общем случае стремление восстановить нарушение симметрии - это путь преодоления проблемной ситуации. Такая эвристическая сила принципа симметрии как метода нахождения выхода из проблемной ситуации воспринимается как фактическое оправдание закона сохранения симметрии, сформулированного Н.Ф. Овчинниковым в виде универсального принципа природы и научного познания. Действие принципа симметрии в проблемных ситуациях можно показать на некоторых примерах. Когда теоретическое осмысление экспериментальных фактов ведет к установлению некоторой симметричной закономерности, одновременно появляется и необходимость в переосмыслении теории, так чтобы она объясняла зависимости симметрического вида между этими экспериментальными фактами. 4. Связь между принципами симметрии и законами сохранения. Различные формы движения материи описываются в современной физике, фундаментальными теориями. Каждая из этих теорий описывает вполне определенные явления: механическое или тепловое движение, электромагнитные процессы и т. д. Существуют более общие законы в структуре фундаментальных физических теорий, которые охватывают все процессы, все формы движения материи. Это в первую очередь законы симметрии, или инвариантности, и связанные с ними законы сохранения физических величин. Симметрия в физике - это свойство физических законов, детально описывающих поведение систем, оставаться неизменными (инвариантными) при определенных преобразованиях, которым могут быть подвергнуты входящие в них величины. Законы, сохранения физических величин - это утверждения, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в определенных классах процессов. Между принципами симметрии и законами сохранения существует связь, устанавливаемая теоремой Э. Нетера. Фактически во многих случаях законы сохранения просто вытекают из принципов симметрии. Огромное значение принципов симметрии и законов сохранения в современной физике состоит в том, что на эти принципы можно опираться при построении новых фундаментальных теорий. Непреложным условием справедливости всех законов природы является их соответствие этим принципам. Философское значение принципов симметрии и законов сохранения состоит в том, что они представляют наиболее общую форму выражения детерминизма. Эти принципы демонстрируют единство материального мира, существование глубокой связи между самыми разнообразными формами движения материи, а также связь между свойствами пространства-времени и сохранением физических величин. Рассмотрим пространственно-временные симметрии и связанные с ними законы сохранения. 1. Сдвиг времени, т. е. изменение начала отсчета времени, не меняет физических законов. Это означает, что все моменты времени объективно равноправны и можно взять любой момент за начало отсчета времени. Время однородно. Из инвариантности физических законов относительно этого преобразования вытекает закон сохранения энергии. Доказательство связи сохранения энергии с однородностью времени достаточно сложно. Но если бы сила притяжения тел к земле изменялась со временем (т. е. не все моменты времени были бы равноценны), то энергия не сохранялась бы. Могли бы поднимать тела вверх в моменты времени, когда сила притяжения минимальна, и опускать их вниз в моменты увеличения силы притяжения. Выигрыш в работе был бы налицо, и можно было бы создать вечный двигатель. 2. Сдвиг системы отсчета пространственных координат не меняет физических законов. Объективно это означает равноправие всех точек пространства (однородность пространства). Перенос (сдвиг) в пространстве какой-либо физической системы никак не влияет на процессы внутри нее. Из этой симметрии вытекает закон сохранения импульса. 3. Поворот системы отсчета пространственных координат оставляет физические законы неизменными. Это означает изотропность пространства: свойства пространства одинаковы по всем направлениям. Из инвариантности законов физики относительно этого преобразования вытекает закон сохранения момента импульса. 4. Законы природы одинаковы во всех инерциональных системах отсчета. В этом состоит принцип относительности - основной постулат специальной теории относительности Эйнштейна. Соответственно физические законы не изменяются при преобразованиях Лоренца, связывающих значения координат и времени в различных инерциальных системах отсчета. Из принципа относительности вытекает сохранение скорости движения центра масс изолированной системы. 5. Фундаментальные физические законы не изменяются при обращении знака времени, т. е. при замене в уравнениях теории t на -t. Это означает, что все соответствующие процессы в природе обратимы во времени. Необратимость, наблюдаемая в макромире, имеет статистическое происхождение и связана с неравновесным состоянием Вселенной. 6. Существует зеркальная симметрия природы: отражение пространства в зеркале не меняет физических законов. В квантовой механике этой симметрии соответствует сохранение особого квантового числа - четности, которое нужно приписать каждой частице. 7. Замена всех частиц на античастицы (операция зарядового сопряжения) не изменяет характера процессов природы. Таким образом, в современной физике обнаружена определенная иерархия принципов симметрии. Одни из них выполняются при любых взаимодействиях, другие же только при сильных и электромагнитных. Эта иерархия еще отчетливее проявляется во внутренних симметриях. 1. При всех превращениях элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной. В этом состоит закон сохранения электрического заряда. Закон сохранения электрического заряда органически входит в структуру современных физических теорий, но глубокие причины выполнения этого закона остаются неизвестными. В квантовой механике сохранению электрического заряда отвечает некоторое преобразование волновой функции (калибровочное преобразование), не изменяющее уравнений этой теории. 2. Опыт показывает, что ядерное вещество сохраняется: разность между числом тяжелых сильно взаимодействующих частиц (барионов) и числом их античастиц не изменяется при любых процессах. Барионы могут рождаться только парами: частица - античастица. Самые легкие барионы - протоны - не распадаются на другие частицы. Потому, что каждому бариону нужно приписать особое квантовое число - барионный заряд, равный +1, а каждому антибариону заряд -1. Тогда определенный таким образом барионный заряд сохраняется. Его сохранению соответствует свое калибровочное преобразование волновой функции. 3. Аналогичным образом обстоит дело и с легкими элементарными частицами - лептонами: электронами, нейтрино, (μ-мезонами (мюонами) и τ-мезонами. Разность числа лептонов и антилептонов не изменяется при превращениях элементарных частиц. В этом состоит закон сохранения лептонного заряда. Однако после открытия различных сортов нейтрино стало очевидным, что необходимо ввести три сохраняющихся независимо друг от друга лептонных заряда: электронный, μ-мезонный и τ-мезонный. В развиваемых в настоящее время единых теориях различных взаимодействий принимают, что только электрический заряд должен всегда сохраняться. Барионный и лептонный заряды, возможно, не сохраняются строго, хотя экспериментально нарушения сохранения этих зарядов пока не обнаружено. 4. Одна из давно известных внутренних симметрии - изотопическая инвариантность. Опытным путем была установлена зарядовая независимость сильных взаимодействий, т. е. их независимость от электрического заряда. Например, сильные взаимодействия протона с протоном и нейтрона с нейтроном совершенно одинаковы в силу независимости их от электрического заряда. Поэтому В. Г. Гейзенберг предложил рассматривать протон и нейтрон как два различных состояния одной частицы - нуклона. Различаются протон и нейтрон только тем, что протон электрически заряжен, а нейтрон нет. Небольшое различие их масс обусловлено электромагнитными взаимодействиями. При сильных взаимодействиях они выступают как одна частица. Зарядовая независимость характерна не только для нуклонов, но и для всех сильно взаимодействующих частиц. 5. Еще одна симметрия, связанная с сохранением нового квантового числа - странности, - выполняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях, но нарушается слабыми взаимодействиями. Все сильно взаимодействующие частицы, кроме нуклонов и пионов, наделены странностью, которая принимает значения либо +1, либо -1. При сильных и электромагнитных взаимодействиях сумма странностей всех частиц остается неизменной. В этом и состоит закон сохранения странности. Поэтому при сильных взаимодействиях всегда рождаются пары частиц с противоположными знаками странности. Распад же этих частиц происходит под влиянием слабых взаимодействий, меняющих странность на единицу. В результате странные частицы живут в сотни тысяч миллиардов раз дольше, чем это положено сильно взаимодействующим частицам. |
Похожие:
 | Реферат для сдачи кандидатского экзамена по истории и философии науки... В основу написания научного реферата положены базовые законы, принципы, и категории философии и диалектики: «переход от количественного... | | Требования к написанию реферата по курсу «история и философия науки» реферат Реферат по истории и философии науки является письменной, самостоятельной творческой работой и является обязательным для аспирантов... |
| Реферат по «Истории отрасли науки», отзыв и рецензия на него хранятся... Выписка из протокола заседания кафедры об утверждении темы реферата передается в отдел аспирантуры. Тема реферата утверждается приказом... | | Требования к реферату по «Истории и философии науки» Тема реферата должна быть согласована с преподавателем, ведущим семинарские занятия по «Истории и философии науки» в группе, к которой... |
 | Реферат «Симметрия в искусстве, скульптуре, архитектуре, живописи» Тема моего реферата была выбрана после изучения раздела «Осевая и центральная симметрия» в геометрии. Остановилась я именно на этой... | | Реферат по теме: Симметрия Тема моего реферата была выбрана после изучения курса «Геометрия 8 класса», раздела «Осевая и центральная симметрия». Остановилась... |
| Специальная общеобразовательная школа №8 открытого типа Проектно Принципы симметрии играют важную роль в физике и математике, химии и биологии, физике и архитектуре, живописи и скульптуре, поэзии... | | Реферата по истории и философии науки тема реферата обязательно должна... Основная цель написания реферата: развитие умений и навыков анализа научных текстов, структурирование материала по обозначенной проблеме,... |
| Реферат По истории и философии науки Тема реферата: «Чёрные дыры во Вселенной» Еще более странно то, что, попав в такое поле, никто и ничто не может оттуда выбраться и перестает существовать в нашей Вселенной.... | | Реферат по истории медицины, согласованный с научным руководителем... Институтом философии ран и второй части «История медицины», разработанной Российским Университетом дружбы народов и одобренной экспертным... |
| По истории соответствующей отрасли науки Порядок подготовки и требования к оформлению реферата для сдачи кандидатского экзамена по истории и философии науки | | «история и философия науки» Российской Федерации в системе послевузовского профессионального образования» допуск к сдаче кандидатского экзамена по философии... |
| Допуск к кандидатскому экзамену «История и философия науки». Требования... Аспирантам и соискателям для получения допуска к кандидатскому экзамену по «Истории и философии науки» необходимо | | Допуск к кандидатскому экзамену «История и философия науки». Требования... Аспирантам и соискателям для получения допуска к кандидатскому экзамену по «Истории и философии науки» необходимо |
| Реферат по истории науки на тему: «Периодизация истории математики... Методические указания для подготовки к экзамену кандидатского минимума по истории и философии науки | | Кандидатский экзамен по «Истории и философии науки» Консультация Если реферат по истории науки не будет предоставлен до 10: 00 27. 05, не будут допущены к экзамену |
