Пространственная симметрия. Смысл пространственной симметрии заключается в том, что поскольку пространство обладает однородностью и изотропностью, то физические явления, при сохранении внешних условий, протекают одинаково в двух системах координат, сдвинутых параллельно друг относительно друга или повернутых одна относительно другой около любой оси.
Симметрия волновой функции1 выражает зависимость волновой функции системы тождественных частиц от перестановки местами пары таких частиц. При перестановке частиц с целым спином волновая функция не изменяется (симметрична), а с полуцелым спином волновая функция меняет знак.
Волновая функция в квантовой механике – величина, полностью описывающая состояние микрообъекта любой квантовой системы – например, электрона, протона, атома, молекулы кристалла.
Обращение времени как выражение симметрии. Это математическая операция замены знака времени в уравнениях движения, описывающих развитие во времени какой-либо физической системы. Такая замена отвечает определенной симметрии, существующей в природе. А именно: все фундаментальные взаимодействия элементарных частиц обладают свойством Т-инвариантности (замена t на – t), не меняя вида уравнений движения. Это означает, что наряду с любым возможным движением системы в природе может осуществляться обращенное во времени движение, когда система последовательно проходит в обратном порядке состояния, симметричные состояниям, проходимым в «прямом» движении. Такие симметричные по времени состояния отличаются противоположными направлениями скоростей и проекций спинов всех частиц и магнитного поля.
Т-инвариантность приводит к определенным соотношениям между вероятностями прямых и обратных реакций, к запрету некоторых состояний поляризации частиц в реакциях, к равенству нулю электрического дипольного момента элементарных частиц и т.д.
Симметрия СРТ-теоремы. Состоит в том, что процессы в природе не меняются (симметричны) при одновременном проведении преобразований. Согласно СРТ-теореме уравнения теории инвариантны относительно СРТ-преобразования, то есть не меняют своего вида, если одновременно провести три преобразования: зарядовое сопряжение С (замена частиц античастицами), пространственную инверсию (зеркальное отражение) Р (замена координат r на – r) и обращение времени Т (замена времени t на – t). Из СРТ-теоремы, например, следует, что массы и время жизни частицы и античастицы равны; электрические заряды и магнитные моменты частицы и античастицы отличаются только знаком; взаимодействие частицы и античастицы с гравитационным полем одинаково, что говорит о невозможности проявления антигравитации; в тех случаях, когда взаимодействие частиц в конечном состоянии пренебрежимо мало, энергетические спектры и угловые распределения продуктов распадов для частиц и античастиц одинаковы, а проекции спинов – противоположны.
Уверенность в том, что законы природы симметричны (одинаковы) относительно каждого из преобразований С, Р и Т в отдельности1, поколебалась в 1956 г. с открытием несохранения пространств, четности в слабых взаимодействиях. Л. Д. Ландау и независимо Ли Цзун-дао и Ян Чжэнь-нин высказали гипотезу о том, что любые взаимодействия в природе инвариантны относительно комбинированной инверсии. Электромагнитные и сильные взаимодействия одинаковы для любой исходной системы и системы, полученной при преобразованиях С и Р в отдельности, поэтому они не меняются и при калибровочной инверсии (СР). Слабые взаимодействия меняются при операциях С и Р, но одинаковы для систем, полученных одна из другой преобразованием СР. Например, распад частиц под влиянием слабого взаимодействия выглядит как зеркальное изображение распада соответствующих античастиц. Если частица или система частиц абсолютно нейтральна (то есть имеет нулевые значения электрического и барионного заряда, лептонного заряда и странности), то при калибровочной инверсии ей соответствует та же частица или система из тех же частиц.
Таким образом, открытие нарушений Р- и С- инвариантности так же, как и открытие в 1964 г. нарушения СР-инвариантности (комбинированной инверсии), почти не затронуло теоретического аппарата физики, который оказался способным включить в себя эти открытия естественным образом, без нарушения фундаментальных принципов теории.
Законы сохранения и симметрия. Законы Природы обладают симметрией, если они допускают осуществление над ними некоторых операций, в результате которых они в точности сохраняют свой вид.
Установлено, что каждый закон сохранения связан с какой-либо симметрией в окружающем нас мире (теорема Эмми Нетер, доказанная ею в 1918 г.). Ее суть заключается в следующем: если свойства системы не меняются при каком-либо преобразовании переменных, то этому соответствует сохранение некоторой физической величины.
Так, например, в условиях переносной симметрии законы физики локально одинаковы в различных точках пространства. То есть если аналогичные эксперименты провести в различных точках пространства, то они приведут к одинаковым результатам. Такая пространственная симметрия распространяется на силу гравитационного взаимодействия, например, между планетой и звездой, относительно которой обращается планета. Сила зависит только от расстояния между центрами масс, но не зависит от их конкретного местоположения. Если бы мы могли переместить систему звезды и планеты на одинаковые расстояния в какое-либо другое пространство галактики, закон взаимодействия этих тел выполнялся бы в точности так же, как и в исходном положении. Таким образом, законы, управляющие какими-то явлениями, остаются неизменными, если все объекты, которые этим законам подчиняются, переместить на одинаковые расстояния.
Законы, которым подчиняются ядерные силы, отвечают изотопической симметрии. Они остаются инвариантными, если поменять все нейтроны на протоны в ядрах атомов и наоборот. Хотя протоны и нейтроны и различаются электрическим зарядом, но имеют близкие массы и один и тот же собственный момент (спин).
Чем выше степень симметрии, тем больше может быть предсказательная сила законов Природы. Но чем выше симметрия (большее число инвариантных типов преобразований), тем более ограничена сфера действия таких законов. При этом соответственно уменьшается количество информации, которое следует получить непосредственно из экспериментов (например, путем измерения фундаментальных постоянных) для применения этих законов.
Законы сохранения являются результатом обобщения экспериментальных наблюдений. Часть из них была открыта в результате того, что реакции или распады, разрешенные всеми ранее известными законами сохранения, не наблюдались или оказывались сильно подавленными. Так были открыты законы сохранения барионного, лептонных зарядов, странности, чарма и другие. Закон сохранения энергии соответствует однородности времени, а закон сохранения импульса, согласно которому полный импульс изолированной системы не изменяется во времени, соответствует однородности пространства; закон сохранения момента импульса – изотропии пространства; закон сохранения электрического заряда – калибровочной симметрии, и т.д.
Принципы симметрии тесно связаны с законами сохранения физических величин – утверждениями, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в определенных классах процессов. Фактически во многих случаях законы сохранения просто вытекают из принципов симметрии. Так, основатель тектологии – учения о типах и закономерностях строения и развития систем – А.А. Богданов сформулировал закон сохранения организации, который вытекал из логики мирового развития и подтверждался всем опытом развития природы и общества.
Симметрия как символ красоты, изящности и пропорции применим только исключительно в рамках искусства. В наблюдаемом мире симметрия – это только признак соразмерности, на основе которого можно получить новые сведения о мире, который нам не доступен в конкретный момент познания, но может быть выявлен в рамках представлений о симметрии. Действительный мир на самом деле не симметричен в силу непрерывности движения и изменений, происходящих в нем. Это заметил еще Л. Пастер, обнаружив диссимметрию живого вещества, полярность и энантиоморфность времени и пространства в живой природе. Известна асимметрия структур, несущих наследственную информацию, и принцип необходимого разнообразия У. Эшби, принцип локальной калибровочной симметрии, который служит для построения единой теории всех взаимодействий.
Существуют и другие принципы научного познания (причинно-следственные отношения в рамках детерминизма), принципы системного подхода к анализу объектов исследования, принцип последовательного приближения к полноте изучаемого объекта и т.д. Они формируются в процессе непрерывного познания человеком окружающего мира и себя в нем.
В чем состоит разница представлений о Природе как сущности и природе, как объекте восприятия и объекте пользования?
Каковы уровни организации структуры окружающего нас действительного мира?
Что Вы понимаете под частными, общими и всеобщими законами Природы?
Изменчивы ли законы Природы, изменчива ли сама Природа?
Покажите на примере возможность использования конкретного научного принципа в различных отраслях естественнонаучного знания.
В последние десятилетия биология переживает период бурного развития; многие мыслители современности даже говорят о вступлении человечества на третий, «биологический» виток развития науки, когда большинство дисциплин будет иметь «биологический окрас».
Претерпев длительное историческое развитие, к XX в. биология пришла как мощная и разветвленная область научного знания, дифференцирующаяся на ряд дочерних дисциплин, обретших статус полновесных самостоятельных областей. В настоящее время к биологическим дисциплинам причисляют более 200 самостоятельных ветвей научного знания. Необходимость решения поставленных научных задач требует значительных усилий во всех областях науки, одновременно признаком развития любой науки является возникновение межпредметных связей.
Это обусловлено тем, что различные науки отражают различные стороны одной и той же объективной реальности – соответственно, для построения более полной картины окружающего мира логично и более того – необходимо развитие новых подходов, возникающих на стыке различных дисциплин. Процесс интеграции – объединения знаний, возникновения смежных дисциплин – происходит параллельно и взаимосвязан с процессом дифференциации знаний. В этом нет логического противоречия. Это и является причиной того, что наряду с такими классическими дисциплинами, как зоология или ботаника, нам все чаще приходится слышать о биотехнологии, социальной экологии, космической биологии и т.п.
Синтез и обобщение данных многих научных областей отражается и в арсенале методов исследования современной биологии, лежащих в русле системного подхода, сочетающих натурные наблюдения, эксперимент и моделирование.
Успехи биологических дисциплин – таких, как селекция, генетика, генная инженерия, защита растений – позволили человечеству интенсифицировать производство продовольственных товаров, нарастить объемы получаемой продукции до небывалых величин.
Однако необходимо отметить, что человечество до последнего времени упорно отказывалось учитывать отрицательные стороны своей деятельности. Недоучет специфичности биологических систем различного уровня организации привел к возникновению ряда глобальных проблем, ставящих под угрозу само существование человечества как биологического вида. В связи с вышесказанным в настоящее время огромные усилия затрачиваются на развитие комплексной междисциплинарной области знаний, возникшей в русле биологической науки – экологии. Несомненно, что в последние десятилетия экология оказала существенное влияние на развитие общества. Хотя решение глобальных проблем – дело будущего, уже сегодня имеются немалые достижения.
История биологии насчитывает много веков. Уже первобытным людям необходимо было иметь определенные взгляды о растениях и животных. В рамках общего развития естественных наук происходило и накопление знаний, ныне принадлежащих к предметной области биологических наук.
В трудах философов античности можно найти сведения биологического характера. Аристотель глубочайшим образом продумал теорию органического развития, будучи знатоком естественно-научных дисциплин, прежде всего зоологии, ботаники и связанных с ними проблем элементарных форм живого ощущения процессов жизни. Гиппократ предложил первую теорию, объясняющую инфекционные заболевания. Общий расцвет науки во времена античности сменился, как известно из истории, относительно «прохладным» периодом Средневековья, который характеризуется общим спадом в естественных науках – и в биологии в частности. По понятным причинам на данном этапе люди были знакомы лишь с представителями растительного и животного мира. Огромный толчок развитию биологии и использованию ее плодов – в частности, в медицине – дало изобретение в XVII в. микроскопа голландцем А. Левенгуком. Человечество проникло в микромир, расширив свои представления о живом. Надо сказать, что сам факт существования микроорганизмов повлек за собой изменение взглядов на теорию самозарождения жизни.
На рубеже XVIII-XIX вв. трудами Ж. Ламарка, Ж. Кювье, Ч. Лайелла были заложены основы эволюционного учения, ставшего основой современной биологии. Чарльз Дарвин в своем основном труде «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859) обобщил эмпирический материал современной ему биологии и селекционной практики и на основе результатов собственных наблюдений во время путешествий, кругосветного плавания раскрыл основные факторы эволюции органического мира. Эволюционная теория имеет огромное значение не только для биологии, но и для всех естественных наук в целом, примечательно, что эволюционная теория существовала наряду с термодинамикой, описывающей по существу совершенно противоположные процессы. Второе начало термодинамики предсказывает миру все более однообразное будущее, рассеяние и деградацию энергии, упрощение структур. Эволюционная теория, напротив, провозглашает возможность образования сложного из простого, все усложняющееся развитие. Разрешить этот парадокс смогли лишь в XX в.
В современность биология пришла как мощная и разветвленная область научного знания, дифференцирующаяся на ряд дочерних дисциплин, обретших статус полновесных самостоятельных областей. XX в. ознаменовался бурным развитием генетики, селекции, экологии, молекулярной биологии и ряда других дисциплин. В настоящее время на стыке биологических дисциплин с другими областями знаний возникают новые отрасли науки – такие, как космическая биология и др.
В определенный исторический момент на фоне возникновения и развития косной (неживой) материи возникло и стало развиваться такое удивительное явление, как жизнь. Вопрос о сущности и происхождении жизни всегда не только вызывал у человека познавательный интерес, но и имел огромное значение для формирования мировоззрения. Возникновение и развитие живых существ вплоть до появления такого феномена, как человек, – одна из центральных проблем естествознания.
Живые организмы существенно отличаются от неживых систем. Эти отличия придают жизни качественно новые свойства. Рассмотрим сущность понятия «жизнь». Многочисленные формулировки сущности жизни можно свести к двум основным: 1) жизнь определяется субстратом, носителем свойств (например, белком); 2) ее трактуют как совокупность специфических физико-химических процессов.
Наиболее популярен сегодня подход, полагающий, что существующие на Земле живые тела представляют собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот. Здесь подчеркивается значение нуклеиновых кислот, обеспечивающих преемственность признаков и свойств.
Живым организмам присущи определенные свойства. Часто эти свойства в той или иной степени характерны и для неживой природы, что подчеркивает единство эволюционных процессов. Однако проявление этих свойств и их совокупность не схожи у живых и неживых объектов. Именно это – совокупность и характер проявления – как раз и определяет сущность жизни.
Долгое время в науке господствовали два основных подхода к решению вопроса о сущности жизни: механицизм и витализм. Механистический материализм, характерный для классической науки Нового времени, не признавал качественной специфики живых организмов и представлял жизненные процессы как результат действия химических и физических процессов. Поэтому механицизм отождествлял живые организмы со сложными машинами.
Противоположной точкой зрения придерживался витализм (от лат. vitalis – жизненный), который объяснял качественное отличие живого от неживого наличием в живых организмах особой «жизненной силы», отсутствующей в неживых предметах и не подчиняющейся физическим законам. Такое решение проблемы сущности жизни тесно связано с признанием факта творения, разумным началом и т.д.
Ученым удалось точно установить, что качественное отличие живого от неживого заключено в структуре их соединений, строении и связях, особенностях функций, характеристике и организации протекающих внутри организма процессов. Кроме того, жизнь отличается динамичностью и лабильностью. Но при этом можно говорить о полном тождестве химических элементов, входящих в состав живого и неживого.
Современная биология в вопросе о сущности жизни все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. Биологи называет жизнью активное, идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специфических структур, обладающих следующими свойствами: наличием генотипа и фенотипа; репликацией генетических программ матричным способом; неизбежностью ошибок на микроуровне при репликации, приводящих к мутациям; многократное усиление этих изменений в ходе формирования фенотипа и их селекция со стороны факторов внешней среды.
При этом организм воспроизводит себя и поддерживает свою целостность за счет использования элементов окружающей среды с более низкой упорядоченностью. Отличия живых организмов от неживых систем придают жизни качественно новые свойства. Живым организмам присущи определенные специфические свойства, которые часто в той или иной степени характерны и для неживой природы, что подчеркивает единство эволюционных процессов. Совокупность и характер проявления этих свойств определяют сущность жизни.
Рассмотрим ряд свойств живых организмов в сравнении со свойствами неживых объектов.
Единство химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Т.е. и земные, и космические формы бытия, при всем разнообразии и причудливости, по элементному составу не шире таблицы Менделеева. Однако соотношение элементов в живом и неживом неодинаково. Элементный состав неживой природы наряду с кислородом представлен по большей части кремнием, железом, магнием, алюминием и т.д. В живых организмах 98% химического состава приходится всего на четыре элемента: углерод, кислород, азот и водород, и, кроме того, живые организмы построены в основном из четырех крупных групп сложных органических молекул – биологических полимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, жиров, которые редко встречаются в неживой природе.
Обмен веществ. Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава и строения всех частей организма и, как следствие, постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, т.е. обеспечивает гомеостаз. Под гомеостазом понимают относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций живых организмов. Этот процесс является результатом сложных координационных и регуляторных взаимоотношений, осуществляемых как в целостном организме, так и на биосферном, популяционно-видовом, органном, клеточном и молекулярном уровнях.
Благодаря специальным (адаптационным) механизмам физические и химические параметры, определяющие жизнедеятельность организма, меняются в сравнительно узких пределах, несмотря на значительные изменения внешних условий. Все процессы, связанные с гомеостазом, требуют определенных энергетических затрат, поэтому живые организмы обязаны питаться и выводить продукты распада на протяжении всей жизни.
Любые серьезные нарушения обмена веществ влекут необратимые последствия для организма и приводят к смерти. Поэтому живая материя представляет собой динамическую систему, которая постоянно находится в состоянии изменения или подвижного равновесия.