Лекции 5,6. Принципы симметрии и законы сохранения

Симметрия: понятие, формы и свойства. Как известно, в физике имеется целый ряд законов сохранения, например закон сохранения массы вещества, энергии, количества движения, момента количества движения, электрического заряда.

Законы сохранения в науке играют особую роль, они отражают стабильность природы. В математике известен целый ряд инвариантных преобразований (например, в механике – преобразования Галилея, в электродинамике – преобразования Лоренца), в результате которых сохраняются законы механики Ньютона, а в электродинамике сохраняется вид уравнений Максвелла в различных инерциальных системах координат.

Во всех перечисленных случаях законам в физике или преобразованиям в математике соответствует некоторая симметрия.

С другой стороны, установление некоторой симметрии в физике и математике ведет к установлению новых законов сохранения или инвариантных преобразований. Поэтому выявление и установление симметрии – одна из наиболее эффективных методологических основ открытия новых законов сохранения в природе. Особенно успешно подобный путь познания законов сохранения используется в области изучения физики микромира, физики элементарных частиц, где исследования прямыми методами затруднены в силу малых размеров физических объектов.

Симметрия (от греч. – соразмерность) в широком смысле – инвариантность (неизменность) структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований.

Согласно современным представлениям, симметрию можно определить примерно так: симметричным называется такой предмет, который можно как-то изменять, получая в результате то же, с чего начали (Р. Фейнман).

Таким образом, симметрия предполагает неизменность объекта (каких-либо свойств объекта) по отношению к каким-либо преобразованиям или операциям, выполняемым над объектом.

Понятие симметрии имеет определенную «структуру», состоящую из трех факторов:

1) наличие объекта или явления, симметрия которого рассматривается;

2) процедура изменения (преобразования), по отношению к которому рассматривается симметрия;

3) установление инвариантности (неизменности, сохранения) каких-либо свойств объекта, выражающей рассматриваемую симметрию.

Подчеркнем, что инвариантность существует не сама по себе, не вообще, а лишь по отношению к определенным преобразованиям. С другой стороны, изменение (преобразование) представляет интерес постольку, поскольку что-то при этом сохраняется. Иными словами, без изменений не имеет смысла рассматривать сохранение, равно как без сохранения исчезает интерес к изменениям.

Формы симметрии. Симметрия выражает сохранение чего-либо каких-либо изменениях, другими словами, сохранение чего-либо, несмотря на изменения. Таким образом, понятие симметрии основывается на на диалектике сохранения и изменения. В физике общепринято выделять две формы симметрии: геометрическую и динамическую.

Симметрии, выражающие свойства пространства и времени, относят к геометрической форме симметрии. Примерами геометрических симметрии являются: однородное пространства и времени, изотропность пространства, пространственная четность, эквивалентность инерциальных систем отсчета.

Симметрии, непосредственно не связанные со свойствами пространства и времени, выражающие свойства определенных физических взаимодействий, относят к динамической форме симметрии.

Примерами динамических симметрии являются симметрии электрического заряда. Вообще говоря, к динамическим симметриям относят симметрии внутренних свойств объектов и процессов. Так что геометрические и динамические симметрии можно рассматривать как внешние и внутренние симметрии.

К основным формам геометрической симметрии, прежде всего, относятся:

1) зеркальная симметрия (симметрия отражения);

2) поворотная симметрия (центральная симметрия);

3) трансляционная симметрия (симметрия повторения).

Зеркальной называют симметрию, имеющую плоскость, линию, или временной раздел двух совершенно одинаковых относительно, друг друга частей одного целого (например, цветной узор крыльев бабочки).

Поворотная симметрия предполагает наличие некоторого центра, относительно которого происходит многократный поворот одного итого же структурного фрагмента. В зависимости от повторяющегося кругового сектора а (в угловых градусах) определяется порядок поворотной симметрии п. Например, для снежинки с α = 60° порядок поворотной симметрии п = 6.

Трансляционной симметрией называется многократное повторение одного и того же фрагмента структуры в пространстве или во времени. Примером трансляционной симметрии может служить любой орнамент.

Примером симметрии в неживой природе являются кристаллические структуры твердых тел.

Важным свойством свободного пространства являются однородность и изотропность. Под однородностью пространства понимают тот факт, что в этом пространстве нет особых точек, обладающих особыми свойствами. Из однородности пространства вытекает закон сохранения импульса, из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса.

Под однородностью времени понимается тот факт, что любые явления, происходящие в разное время, но при одних и тех же условиях, протекают совершенно одинаково. Из этого утверждения вытекает закон сохранения энергии.

Закон сохранения электрического заряда является следствием так называемой калибровочной инвариантности. Калибровочная инвариантность – один из важнейших принципов теории поля. Можно показать, что если записать интеграл действия S для системы «заряд – поле» и провести калибровочное преобразование, то действие остается неизменным, а вариация действия будет равна нулю, если заряд является постоянной величиной.

Инвариантность действия при преобразовании калибровки будет иметь место при условии сохранения заряда, т.е. симметрия калибровочного преобразования полей напрямую связана с законом сохранения заряда. Эта общая закономерность справедлива для полей любого характера.

Исследование реакций с участием элементарных частиц и античастиц и процессов их распада привело к открытию некоторых новых свойств симметрии, в том числе симметрии относительно зарядового сопряжения. Если в уравнении какой-либо реакции каждую частицу заменить на античастицу, то получится уравнение, описывающее новую реакцию. Эта операция называется зарядовым сопряжением.

Еще большее значение симметрия играет в квантовой механике. Если здесь установлен принцип какой-либо симметрии, то окажется, что он всегда позволяет вывести соответствующий закон сохранения.

Возникает вопрос, почему симметрия играет такую исключительную роль в установлении законов сохранения, какое значение она имеет в отражении свойств самой природы. История формирования понятия «симметрия» в науке начиналась с понимания ее как «однородность, соразмерность, пропорциональность, гармония». Философское значение принципов симметрии как наиболее общая форма выражения принципа детерминизма. Принцип причинности имеет симметрический аспект: симметрия причин сохраняется в симметрии следствий.

Симметрия объектов: объект является симметричным, если над ним можно произвести некоторые операции, в результате которых объект будет выглядеть точно так же, как и прежде сформулировал (Г. Вейль). В результате сформировалась классическая симметрия с основными понятиями симметрии и геометрии природных форм: ось симметрии, плоскость симметрии, центр симметрии. Операции симметрии: двустороннее отражение, повороты фигур вокруг определенных осей, трансляция и т.д. Все элементы симметрии конечных фигур встречаются и на бесконечных.

Позднее сформировалась криволинейная симметрия (гомология), симметрия подобия, многоцветная симметрия. Введено понятие об асимметрии.

Повторяемость видов симметрии в неживой и живой мате­рии. Основные виды классической симметрии в природе: зеркальная (билатеральная), радиально-лучевая, шаровая. Основной закон, объясняющий проявление симметричности природных тел, закон Пьера Кюри: симметрия тела формируется под воздействием симметрии среды (на Земле это, прежде всего, симметрия сил земного тяготения). Наиболее вероятная эволюция форм симметрии: симметрия шара, двусторонняя симметрия, радиально-лучевая.

Симметрия в неживой и живой природе. Идеи Л. Пастера и В.И. Вернадского об отличии симметрии живых организмов от косной материи: преобладание в живой материи либо левых (в аминокислотах), либо правых изомеров (ДНК-РНК) - дисимметрия в живой природе, запрет на наличие пятой оси симмет­рии в неживой материи.

Симметрия в физике – свойство физических законов, детально описывающих поведение систем, оставаться инвариантными (неизмененными) при определенных преобразованиях, которым могут подвергнуться входящие в них величины.

Явные симметрии, непосредственно наблюдаемые, например симметрии пространства и времени или выводимые из за­конов сохранения.

Скрытые симметрии: скрытость симметрии исходной ситуации, возникающая после неустойчивого симметричного состояния.

Принципы и законы симметрии. Пространственно-временные, геометрические или внешние и связанные с ними законы сохранения.

1. Сдвиг времени, т.е. изменение начала отсчета, времени не меняет физических законов. Время однородно. Из инвариантности физических законов относительно этого преобразования вытекает закон сохранения энергии.

2. Сдвиг системы отсчета пространственных координат не меняет физических законов. Однородность пространства. Из этой симметрии вытекает закон сохранения импульса.

3. Поворот системы отсчета пространственных координат оставляет физические законы неизменными. Изотропность пространства. Закон сохра­нения момента импульса.

4. Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Принцип относительности. Закон сохранения скорости движения центра масс изолированной системы.

5. Фундаментальные физические законы не изме­няются при обращении знака времени. Все соответствующие процессы в природе обратимы во времени. Необратимость, на­блюдаемая в макромире, имеет статическое происхождение и связана с неравновесным состоянием Вселенной.

6. Зеркальная симметрия природы: отражение пространства в зеркале не меняет физических законов.

7. Замена всех частиц на античастицы (операция зарядового сопряжения) не изменяет характера процессов природы.

Иерархия принципов симметрии в физике. Зеркальная симметрия и зарядовое сопряжение сохраняются только при сильных и электромагнитных взаимодействиях. При слабых взаимодействиях эти симметрии нарушаются.

Внутренние симметрии, специфические свойства элементарных частиц.

1. При всех превращениях элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной. Закон сохранения электрического заряда.

2. Закон сохранения бариационного заряда.

3. Закон сохранения лептонного заряда. В современных теориях принимается, что только электрический заряд сохраняется. Барионный и лептонный заряды, возможно, не сохраняются строго, хотя экспери­ментально это не обнаружено.

4. Изотопическая инвариантность: зарядовая независимость сильных взаимодействий. Гейзенберг: протон и нейтрон – два различных состояния нуклона.

5. Симметрия (закон), связанная с сохранением нового кванто­вого числа, – странности. При сильных и электромагнитных взаимодействиях сумма странностей всех частиц остается неизменной.

Теория взаимодействий элементарных частиц развивается благодаря принципам симметрии. Роль принципа симметрии в познании весьма велика, например, из соображений симметрии Дираком были постулированы античастицы, Д.И. Менделеевым сформулирован периодический закон и т.д. Общенаучность принципов симметрии многократно подтверждается в таких научных методах как аналогия, анализ, синтез, моделирование, принцип подобия.

Законы сохранения энергии. Формы энергии. Энергия (от греч.– действие, деятельность) – общая ко­личественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, Понятие «энергия» связывает воедино все явления природы.

В соответствии с различными формами движения материи рассматривают и разные формы энергии: тепловую, механическую, внутреннюю, химическую, электромагнитную, ядерную и др. Механическая энергия подразделяется в свою очередь на кинетическую и потенциальную.

Внутренняя энергия равна сумме кинетических энергий хаотического движения молекул относительно центра масс и потенциальных энергий взаимодействия молекул друг с другом.

Химическая энергия складывается из кинетической энергии движения электронов и электрической энергии взаимодействия электронов друг с другом и с атомными ядрами молекул химически веществ. Энергия химических связей для двухатомных молекул – это энергия, требуемая для удаления атомов на бесконечно большое расстояние друг от друга.

В атомной физике используется понятие энергии ионизации. Она равна работе, затрачиваемой на удаление одного внешнего электрона из атома, или ионизационному потенциалу.

В микрофизике широко используется понятие энергии связи. Энергия связи системы каких-либо частиц (например, атома как системы, состоящей из ядра и электронов) равна работе, которую необходимо затратить, чтобы разделить данную систему на составляющие ее частицы и удалить их друг от друга на расстояние, при котором их взаимодействием можно пренебречь.

Энергия связи электроновв атоме или молекуле определяется электромагнитными взаимодействиями и для каждого электрона пропорциональна ионизационному потенциалу. Энергия связи в атомных ядрахопределяется сильным взаимодействием нуклонов и, согласно соотношению Эйнштейна ΔЕ = Δтс², пропорциональна дефекту масс атомных ядер Δm. Энергия связи, обусловленная гравитационным взаимодействием, обычно мала и имеет значение лишь для космических объектов.

При переходе системы из одного состояния в другое изменение энергии не зависит от того, каким способом (в результате каких взаимодействий) происходит переход, т.е. энергия – однозначная функция состояния системы. Закон сохранения энергии является строгим законом природы, справедливым для всех известных взаимодействий. Согласно известной теории Э. Нётер, он связан с однородностью времени, т.е. с тем фактом, что все моменты времени эквивалентны и физические законы не меняются со временем.

Закон сохранения энергии для механических процессов был установлен Г. Лейбницем (1686) а для немеханических – в середине XIX в. Ю.Р. Майером (1845), Дж. Джоулем и Г. Гельмгольцем (1847). В термодинамике закон сохранения энергии называется первым началом термодинамики.

На начальном этапе изучения превращения различных форм движения друг в друга исключительную роль сыграл С. Карно, который впервые занялся изучением вопроса превращения теплоты в работу паровых машин.

Поставив задачу, как наиболее экономно использовать топливо в паровых машинах, С. Карно нашел наиболее оптимальные условия работы тепловой машины (цикл Карно), при которых можно добиться максимального коэффициента ее полезного действия. Теорема Карно сыграла в дальнейшем важную роль в установлении одного из фундаментальных законов природы — второго начала термодинамики.

Всеобщий закон сохранения и превращения энергии. Приоритет установления данного закона за тремя учеными. Из них двое немецких ученых – Ю.Р. Майер и Г. Гельмгольц по профессии были врачами, а третий – англичанин Дж. Джоуль – специалистом в области электрических явлений.

Динамические и статистические закономерности в природе. Механическое движение тел подчиняется законам классической механики Ньютона, которые называются динамическими законами, подчеркивается, что движение происходит под действием тех или иных сил. Динамические законы имеют строго однозначный характер всех связей и зависимостей. Зная начальное состояние механической системы, можно однозначно определить ее последующие состояния. Динамические закономерности не допускают какой-либо неопределенности системы.

Система тепловых термодинамических процессов, в отличие от динамической, включает огромное число отдельных элементов (например, полное число молекулгазовой системы) требует статистического рассмотрения. Рассматривается не движение каждой молекулы, а лишь вероятностные ее характеристики, используя теорию вероятностей, можно определить усредненные характеристики всей системы и установить статистические закономерности поведения всей системы. Примером тому может служить установление статистической закономерности между температурой газа и кинетической энергией совокупности молекул системы в молекулярно-кинетической теории газа. При статистических закономерностях данное состояние системы определяет все ее последующие состояния не однозначно, а лишь с определенной вероятностью.

В классической термодинамике в основном рассматриваются изолированные системы, которые не обмениваются с внешней средой энергией. Именно для таких систем установлен закон возрастания энтропии. Этот закон имеет простое статистическое толкование. Энтропия изолированной, т.е. предоставленной самой себе системы, не может убывать. С другой стороны, очевидно, что предоставленная самой себе система будет переходить из менее вероятного состояния в более вероятное. Таким образом, энтропия и вероятность состояний изолированной системы ведут себя аналогично: они могут либо возрастать, либо оставаться неизменными.

В последние годы широкое развитие получили исследования в области термодинамики неизолированных, так называемых открытых систем, т.е. систем, которые обмениваются энергией и веществом с внешним миром. Открытыми являются биологические системы, в частности клетка живых организмов. Для таких систем энтропия может как возрастать, так и убывать.

В изолированных системах естественные процессы идут в направлении от упорядоченных структур к неупорядоченным, т.е. от порядка к беспорядку, хаосу. И в этом смысле можно говорить о том, что энтропия есть мера хаоса. Для неизолированных, открытых, систем эволюция, например, живых организмов ведет от менее совершенных форм к более совершенным, от меньшего порядка в природе к большему, и в этих системах энтропия может не увеличиваться, а уменьшаться.

Принцип возрастания энтропии. Понятие энтропии исторически возникло при рассмотрении и изучении тепловых процессов и создании термодинамики. К моменту зарождения термодинамики в естествознании господствовала механика Ньютона, механика обратимых процессов, которые могут идти как в прямом, так и в обратном направлении с так называемым обратимым временем. Например, вращающееся тело проходит при движении одни и те же положения при вращении по часовой стрелке, а затем и против часовой стрелки. Или другой пример: в принципе возможны все механические движения, показанные на кинопленке, при ее прокручивании, как в прямом, так и в обратном направлении. В термодинамике в этом отношении все обстоит иначе.

Французский математик и физик Ж.Б. Фурье установил один из основных законов теплопроводности – односторонний переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому. Именно с этого момента начался выход физики за пределы ньютоновой схемы. При переходе теплоты от более горячего тела к более холодному температуры тел постепенно выравниваются и становятся едиными для обоих тел – наступает состояние термодинамического равновесия. Таким образом, все системы, содержащие различные тела с разной температурой, естественным образом переходят в состояние термодинамического равновесия содинаковой температурой во всех участках системы. Такие процессы в силу закона Фурье имеют однонаправленность во времени, в связи с чем появилось понятие необратимости времени, «стрелы времени».

Карно установил, что тепловую энергию, которой обладает нагретое тело, непосредственно невозможно превратить в механическую энергию для производства работы. Это можно сделать только в том обязательном случае, если часть тепловой энергии тела с температурой Т₁ передать другому телу с меньшей температурой Т₂ и, следовательно, нагреть его до большей температуры. Иными словами, в механическую энергию для производства работы можно преобразовать только часть тепловой энергии и только при обязательном условии, что в системе такого преобразователя имеется нагре­ватель с температурой Т₁ и охладитель с температурой Т₂, т.е. для производства работы механической системой необходима разность температур Т₁ – Т₂. Все механические системы, использующие тепло, работают «на перепаде температур» между нагревателем и холодильником. Карно выразил эту мысль следующим образом: Возникновение движущей силы обязано в паровых машинах не действительной трате тепла, но его переходу от горячего тела к холодному... Недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно еще добавить холод; без него теплота стала бы бесполезной. Карно определил ту часть тепловой энергии, которая может быть переведена в производство механической энергии, в производство работы в тепловых машинах, т.е. он нашел значение разности W = Q₁ – Q₂, где W – полученная механическая энергия в процессе преобразования тепловой энергии; Q₁ – полная тепловая энергия, отдаваемая нагретым телом в процессе преобразований энергии; Q₂ – часть тепловой энергии, переданной холодильнику.

Определив разность Q₁-Q₂, Карно нашел максимальное значение коэффициента полезного действия тепловых машин (для так называемого идеального цикла Карно), которое оказалось равным . Из приведенного соотношения следует, что коэффициент полезного действия (кпд) тепловой машины определяется только значениями Т₁ и Т₂.

Р.Ю. Клаузиусввел важнейшее понятие – энтропию. Из термодинамического понятия оно сначала перешло в другие разделы физики – механику, электричество, магнетизм, оптику, а затем в смежные науки – химию, информатику, биологию, и сейчас стало одним из важнейших понятий современного естествознания наряду с таким, например, понятием, как энергия.

Энтропия (от греч. – поворот, превращение) – функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре Т системы.

Отношение Клаузиус обозначил буквой S и назвал энтропией, что в переводе с древнегреческого означает «обращение», «превращение», «поворот». Таким образом, по мысли Клаузиуса, энтропия характеризует превратимость, превращение.

Итак, для циклических обратимых процессов т.е. выполняется закон сохранения энтропии: S₁ = S₂. Иными словами, в таких процессах холодное тело поглощает столько же энтропии, сколько и выделяется нагретым телом. Реально же все процессы теплопередачи являются необратимыми, и при передаче количества тепла Q от горячего тела (с температурой Т₁,) к холодному (с температурой Т₂) энтропия S₁ = всегда будет меньше энтропии S₂ = в силу того, что Т₁ > Т₂ и,следовательно, изменение энтропии ΔS = S₂ – S₁ всегда положительно. То есть в реальных процессах энтропия термодинамической системы будет возрастать.

Исследование энтропии в дифференциальной форме показало, что dS является полным дифференциалом, и, следовательно, энтропия не зависит от вида физического процесса, а определяется только состоянием системы. Поэтому энтропия является функцией состояния.

Кроме того, оказалось, что с помощью энтропии удобно исследовать не только тепловые процессы, но и рассматривать процессы преобразования других видов энергии в тепловую. Так, механическая энергия в результате трения переходит в тепловую, электрический ток нагревает проводники тока, электромагнитное поле – среду, через которую оно распространяется, и т.д., т.е. все естественные процессы, в конечном счете, ведут к превращению всех видов энергии в тепловую. Постепенно возникло представление о качестве разных видов энергии и ее деградации с точки зрения качества. Под качеством энергии понимается возможность использования того или иного вида энергии для производства полезной работы.

Принята следующая иерархия качества энергии в указанном смысле: ядерная, электромагнитная, химическая, механическая и тепловая энергии. При этом каждому виду энергии соответствует свое значение энтропии. Оно имеет минимальное значение для энергии высокого качества и возрастает при превращении всех видов энергии в тепловую и переходу системы в термодинамическое равновесие, при котором энтропия достигает максимальной величины.

В связи с этим значение энтропии («превращения») характеризует меру обесценивания энергии. Там, где происходят процессы изменения и преобразования энергии, следует «ее тень – энтропия».

При плавлении и испарении происходит изменение энтропии систем. Термодинамические основы растворения одних веществ в других также требуют знания энтропии. Возрастание растворимости веществ с повышением температуры, расслоение бензина на поверхности воды также связаны с возрастанием энтропии. Изменение энтропии выталкивает молекулы углеводородов из водного окружения. Изменение энтропии выступает в роли действующей силы, гидрофобной. Вещества, которые выталкиваются ею из воды, называются гидрофобными, в отличие от гидрофильных веществ вроде спирта, которые полностью растворяются в воде. Следствия гидрофобных энтропийных сил, – это строение белков – веществ, определяющих протекание всех жизненных процессов. Э. Шрёдингер выразил значение энтропии для биологических систем в высказывании: «Живой организм питается отрицательной энтропией». Широкое применение получила энтропия в информатике, в частности, для расчетов пропускной способности различных линий связи и систем передачи информации.

Дата добавления: 2014-12-16