СИММЕТРИЯ В
ПРИРОДЕ
Целью данной работы является
определение роли симметрии в живой и неживой природе.
Симметрия является одной из наиболее фундаментальных и
одной из наиболее общих закономерностей мироздания: живой, неживой природы и
общества. Принципы симметрии играют важную роль в физике и математике, химии и
биологии, технике и архитектуре, живописи и скульптуре, поэзии и музыке.
Законы природы, управляющие неисчерпаемой в своем многообразии картиной
явлений, в свою очередь, подчиняются принципам симметрии.
Существует две группы симметрии. К первой группе относится симметрия
положений, форм, структур. Это та симметрия, которую можно непосредственно
видеть. Она может быть названа геометрической симметрией. Вторая группа характеризует
симметрию физических явлений и законов природы. Эта симметрия лежит в самой
основе естественнонаучной картины мира: ее можно назвать физической симметрией.
Исследование симметрии Земли как планеты в целом позволяет
систематически и с соответствующей детальностью проанализировать динамику
формирования фигуры Земли, т. е. рассмотреть качественную и количественную роль
различных силовых полей, воздействие которых определяет эту фигуру.
Суммарное воздействие силы земного
тяготения можно изобразить в виде пучка бесчисленного множества одинаковых
векторов, направленных к одной общей точке – центру Земли. Симметрия такого
пучка, так же как и симметрия идеального и неподвижного шара отвечает
бесчисленному множеству осей симметрии бесконечного порядка (осей вращения) и бесчисленному
множеству плоскостей симметрии, пересекающихся в одной точке – центре шара.
Симметрия воздействующего на Землю поля солнечной радиации соответствует,
очевидно, симметрии конуса, ось которого совпадает с осью Солнце – Земля. Поле
солнечной радиации в окрестностях Земли – симметрия цилиндра.
Круговая симметрия обладает большой общностью. Главная особенность
кругового преобразования состоит в том, что оно всегда сохраняет углы фигуры и
сферу, и всегда переходит в сферу другого радиуса. Вот почему кристаллы любого
вещества могут иметь самый разный вид, но углы между гранями всегда постоянны.
Каждая снежинка – это маленький кристалл замерзшей воды. Форма снежинок может
быть очень разнообразной, но все они обладают симметрией – поворотной
симметрией 6-го порядка и, кроме того, зеркальной симметрией.
На явление
симметрии в живой природе обратили внимание еще пифагорейцы в связи с развитием
ими учения о гармонии. Установлено, что в природе наиболее распространены два
вида симметрии - «зеркальная» и
«лучевая» (или «радиальная») симметрии.
У цветковых растений в большинстве
проявляется радиальная и зеркальная симметрия. Цветок считается симметричным,
когда каждый околоцветник состоит из равного числа частей. К формам с лучевой
симметрией относятся гриб, ромашка, сосновое дерево и часто такой вид симметрии
называется «ромашко-грибной» симметрией. Для листьев характерна зеркальная
симметрия.
Типы симметрии у животных:
центральная; осевая; радиальная; билатеральная (зеркальная); поступательная и поступательно-вращательная;
винтовая, а также спиральная симметрия. Примером винтовой симметрии может
служить раковина улитки (правый винт). Зеркальная симметрия хорошо видна у
бабочки; симметрия левого и правого проявляется здесь с почти математической
строгостью.
Также отметим зеркальную симметрию
человеческого тела: правое и левое полушария головного мозга, правые и левые
кисти рук, ступни ног и т.д. Она же проявляется в гармонии человеческих
движений, как в танцах, так и в технической работе, где проявляется
геометрическая закономерность.
Принципы симметрии лежат в основе
теории относительности, квантовой механики, физики твердого тела, атомной и
ядерной физики, физики элементарных частиц. Эти принципы наиболее ярко
выражаются в свойствах инвариантности законов природы. Речь при этом идет не
только о физических законах, но и других, например, биологических. Примером
биологического закона сохранения может служить закон наследования. Молекула
ДНК, являющаяся носителем наследственной информации в живом организме, имеет
структуру двойной правой спирали.
Принцип «симметрии» широко
используется в искусстве. Бордюры, используемые в архитектурных и скульптурных
произведениях, орнаменты, используемые в прикладном искусстве, - все это
примеры использования симметрии.
На основании вышесказанного можно
утверждать, симметрия в природе проявляется в самых различных объектах
материального мира и отражает наиболее общие, наиболее фундаментальные его
свойства. Поэтому исследование симметрии разнообразных природных объектов и
сопоставление результатов является удобным и надежным инструментом познания
основных закономерностей существования материи. Без принципа симметрии нельзя
рассмотреть ни одной фундаментальной проблемы, будь то проблема жизни или
проблема контактов с внеземными цивилизациями.