Прежде чем приступать к данному разделу, необходимо пояснить, каким образом симметрия, как естественнонаучная категория, в рамках одной темы оказалась связанной с представлениями именно о пространстве и времени. Данную логическую взаимосвязь этих трех важнейших понятий физики – пространства, времени и симметрии – можно проиллюстрировать следующими аргументами:
– важнейшие законы сохранения связаны, как будет показано ниже, с симме-трией именно пространства и времени;
– схожесть эволюции представлений о пространстве, времени и симметрии, а именно, от кажущейся привычной, обыденной и понятной их сути к сложнейшим, похожим на фантастику представлениям о них же;
– соответствие данной эволюции научному методу (см. раздел 1.2), заключа-ющееся в том, что такая, более сложная трактовка сути указанных естественнонаучных категорий однозначно предполагает с их помощью более полное и более достоверное понимание реального мира.
В науке считается, что симметрией (от греч. symmetria – соразмерность), как свойством, обладают объекты и законы природы. Для первых симметрия означает соразмерность (пропорциональность, упорядоченность) элементов объекта природы как системы. По выражению немецкого математика Германа Вейля, симметричным является предмет, с которым можно сделать нечто, не изменяя этого предмета. Так, например, равносторонний треугольник после его поворота на 120○ вокруг оси, проходящей через точку пересечения высот этого треугольника, будет выглядеть точно так же, как и до поворота. Если структура и физические свойства объекта природы не изменяются в результате его поворота (вращения), переноса (перемещения) или отражения в идеальном плоском зеркале, то говорят, что этот объект симметричен или инвариантен по отношению к совершаемым над ним данным преобразованиям, и что данный объект в этом случае имеет геометрическую симметрию указанных выше видов (форм), или просто обладает геометрической симметрией. Подобная симметрия присуща кристаллам, художественным орнаментам, архитектурным сооружениям, структурам молекул неорганических соединений и другим объектам нашей реальности.
Столь же объективным, как симметрия, свойством объектов природы является противоположное первой понятие асимметрии. Так, структуре живой материи от организма до молекулы присуще нарушение одной из геометрических симметрий – зеркальной (см. выше). Для организма человека – это функциональная асимметрия полушарий головного мозга (левого, с функцией дискретно-аналитического мышления, и правого, с функцией мышления пространственно-образного), левостороннее расположение сердца и такое же ле-востороннее закручивание кишечника у 99,98% людей и т.д. Более того, у взаимодействующих «живых» молекул строение не просто асимметричное, а еще и комплементарное, когда в процессе этого взаимодействия (спаривания двух нитей ДНК, соединения фермента с субстратом и т.д.) они подходят друг к другу, как ключ к замку (образное сравнение одного из первооткрывателей ДНК Дж. Уотсона). Так, биосинтез белков с помощью нуклеиновых ки-слот оказывается принципиально возможным потому, что первые содержат только «левые» аминокислоты, а вторые – только «правые» сахара. Свойство зеркальной асимметрии живого носит название хиральности или киральности (от греч. cheir – рука). Если, предположим, хиральность «живых» молекул изменится на зеркально противоположную, свойство комплементарности ими будет утрачено, возможность взаимодействия исчезнет, и они станут би-ологическим ядом для любого живого организма. Не зря в свое время Л. Пастер, а затем и В.И. Вернадский предлагали провести принципиальное различие между живой и неживой природой именно по наличию или отсутствию хиральности.
Понятие симметрии применимо также к пространству и времени, но так как в свете общей теории относительности Эйнштейна они представляют собой не самостоятельные сущности, а определенные типы отношений между объектами природы (см. раздел 2.3), симметрия пространства и времени выявляется с помощью внешних, по отношению к движущимся в них макроскопическим телам, как к материальным системам, мысленных преобразований (табл. 2.2). Считается, что выявляемые этими преобразованиями
свойства пространства и времени, и есть доказательство наличия соответ-ствующих симметрий последних (там же). При этом согласно той же таблице 2.2, геометрические симметрии объектов природы и геометрические симметрии пространства и времени – это не одно и то же.
Симметрия законов природы означает следующее. Если эти законы, устанавливающие, как известно (см. раздел 1.2), количественные соотношения между величинами, характеризующими объект природы (систему), или определяющие изменение данных величин во времени, не меняются при оп-ределенных преобразованиях, которым может быть подвергнута эта система, то говорят, что данные законы симметричны или инвариантны относитель-но этих преобразований. Здесь только следует уточнить, что симметрия объектов природы – это инвариантность их структуры и физических свойств к совершаемым над ними реальным преобразованиям (см. выше), а симметрия
Таблица 2.2