Законы сохранения - физические, закономерности, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в классе процессов.
ГЛАВА II. ПОНЯТИЕ СИММЕТРИИ И ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ.
§ 1. Принцип симметрии и его роль в познании.
Рассмотрение философских аспектов физического знания неоднократно приводило нас к необходимости оперировать понятиями симметрии и асимметрии. Что же такое симметрия и асимметрия? В чем сущность их методологического значения?
На протяжении тысячелетий в ходе общественной практики и познания законов объективной действительности человечество накопило многочисленные данные, свидетельствующие о наличии в окружающем мире двух тенденций: с одной стороны, к строгой упорядоченности, гармонии, а с другой - к их нарушению. Люди давно обратили внимание на правильность формы кристаллов, цветов, пчелиных сот и других естественных объектов и воспроизводили эту пропорциональность в произведениях искусства, в создаваемых ими предметах, ввели понятие симметрия. "Симметрия, - пишет известный ученый Дж. Ньюмен, - устанавливает забавное н удивительное родство между предметами, явлениями и теориями, внешне, казалось бы, ничем не связанными: земным магнетизмом, женской вуалью, поляризованным светом, естественным отбором, теорией групп, инвариантами и преобразованиями, рабочими привычками пчел в улье. строением пространства, рисунками ваз, квантовой физикой, скарабеями, лепестками цветов, интерференционной картиной рентгеновских лучей, делением клеток морских ежей, равновесными конфигурациями кристаллов, романскими соборами, снежинками, музыкой, теорией относительности...».
Слово "симметрия" имеет два значения. В одном смысле симметричное означает нечто весьма пропорциональное, сбалансированное; симметрия показывает тот способ согласования многих частей, с помощью которого они объединяются в целое.
Второй смысл этого слова - равновесие. Еще Аристотель говорил о симметрии как о таком состоянии, которое характеризуется соотношением крайностей.
Пристальное внимание уделяли симметрии Пифагор и его ученики.
Основное положение пифагорейской философии, согласно Аристотелю, состоит в том, "что число есть сущность всех вещей и организация вселенной в ее определениях представляет собою вообще гармоническую систему чисел и их отношений". Исходя из учения о числе пифагорейцы дали первую математическую трактовку гармонии, симметрии, которая не потеряла своего значения и в наши дни.
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.
Среди более поздних естествоиспытателей и философов, занимавшихся разработкой категории симметрии, следует назвать Р. Декарта и Г. Спенсера.
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.
Понятия симметрии и асимметрии, которыми пользуются в частных науках, далеко не полно отражают существующую в реальном мире симметрию и асимметрию; они развиваются и обогащаются. Как показывает история науки, это понятия, с помощью которых можно объяснить многие явления и предсказывать существование новых, еще не познанных свойств природы.
Так что же такое симметрия и асимметрия?
В настоящее время в естествознании преобладают определения категорий симметрии и асимметрии на основании перечисления определенных признаков. Например, симметрия определяется как совокупность свойств: порядка, однородности, соразмерности, гармоничности. Под асимметрией же обычно понимают отсутствие признаков симметрии - беспорядок, несоразмерность, неоднородность и т. д. Все признаки симметрии в такого рода ее определениях, естественно, рассматриваются равноправными, одинаково существенными, и в отдельных конкретных случаях, при установлении симметрии какого-то явления, можно пользоваться любым из них. Так, в одних случаях симметрия - это однородность, в других - соразмерность и т.д. По мере развития нашего познания к определению симметрии можно прибавлять все новые и новые признаки. То же самое можно сказать и о существующих в частных науках определениях асимметрии.
Общие понятия симметрии и асимметрии должны быть такими, чтобы под них подошли все известные и даже неизвестные н настоящее время виды симметрии и асимметрии.
Непосредственной логической основой для определения понятий симметрии и асимметрии, по мнению В.С.Готта, является диалектика тождества и различия. А в диалектике, как мы уже знаем, тождество и различие рассматриваются лишь в определенных отношениях, во взаимодействии, во включении различия в тождество, а тождества в различие.
Диалектическое понимание тождества предполагает обязательное признание следующего: тождество не существует вне различия и противоположности, тождество возникает и исчезает, тождество существует только в определенных отношениях и возникает при определенных условиях; наиболее полным выражением тождества является полное превращение противоположностей друг в друга.
Отсюда следует, что в процесса познания явлений мира нельзя ограничиваться только установлением тождества между ними, но необходимо раскрывать, как возникает это тождество, при каких условиях и в каких отношениях оно существует. На основе этой характеристики диалектики тождества и различия нами В.С.Готтом предложены следующие определения симметрии и асимметрии:
Симметрия - это категория, обозначающая процесс существования и становления тождественных моментов, в определенных условиях и в определенных отношениях между различными и противоположными состояниями явлений мира.
Из данного определения понятия симметрии возникают такие методологические требования: при изучении явления, события, состояния движущейся материи прежде всего необходимо установить свойственные им различия и противоположности, затем уже раскрыть, что в нем есть тождественного и при каких условиях и в каких отношениях это тождественное возникает, существует и исчезает. Отсюда следуют и некоторые общие правила для формулирования наших гипотез (это правило часто относят к научной интуиции). Если установлено существование какого-то явления, состояния или каких-то их свойств и параметров, то необходимо предполагать и существование противоположных явлений, противоположных свойств и параметров; в свою очередь, необходимо далее постулировать, что между противоположными условиями в каких-то отношениях и условиях возникают и существуют тождественные моменты. В этих двух правилах и выражается в общем виде применение понятия симметрии в конкретных исследованиях.
Асимметрией называется категория, которая обозначает существование и становление в определенных условиях и отношениях различий и противоположностей внутри единства, тождества, цельности явлений мира.
Во всех реальных явлениях симметрия и асимметрия сочетаются друг с другом. Прежде чем искать симметрию, нужно найти асимметрию. Верным будет и обратное.
§ 2.Законы сохранения в микромире.
Если механизм возникновения альфа- и гамма-излучения без особых трудностей был объяснен квантовой механикой, то испускание b-частиц (электронов) оказалось одной из труднейших для понимания проблем ядерной физики. Действительно, при a-распаде ядро атома испускает a-частицу, представляющую собой ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Таким образом, при a-распаде не образуется новых частиц, поскольку и протоны и нейтроны уже имелись в ядре. Был понят и процесс g-излучения, при котором из ядра вылетала новая (не бывшая, ранее в нем) частица - g-квант (фотон). Он был связан с тем, что путем g-радиоактивности ядро атома освобождалось от избыточной энергии аналогично тому, как рождался фотон в атоме при переходе электрона с верхней орбиты на нижнюю. Как a-, так и g-радиоактивность протекала в полном соответствии с законом сохранения энергии, импульса и момента количества движения.
Что же касается b-распада, то это явление оказалось значительно более сложным и поставило перед учеными ряд проблем. Прежде всего потому, что при этом виде радиоактивности из ядра вылетает ранее не находившаяся там b-частица - электрон. Когда к этому явлению были применены законы сохранения, то выявилась совершенно необычная ситуация: энергия, импульс и момент количества движения начального ядра не были равны, импульсу и моменту количества движения продуктов распада вновь образовавшегося ядра и испущенного электрона. Баланс указанных величин не только почти никогда не сходился, но и каждый раз давал различную величину. Ядро одного и того же радиоактивного изотопа испускает электроны различной энергии, начиная от некоторой максимальной до нулевой. При этом оказывается, что образующееся конечное ядро имеет всегда одну и ту же энергию. Начальное же ядро, превращаясь в результате радиоактивного распада в новое ядро, теряет одну и ту же энергию, в точности равную максимально возможной энергии испущенного электрона. Возник, естественно, вопрос: куда девается энергия в тех случаях, когда энергия электрона меньше максимальной?
Это был отнюдь не единственный сюрприз, преподнесенный физикам b-радиоактивностью. Когда подсчитали импульс исходного ядра и его момент количество движения и сравнили с импульсом и моментом количества движения вновь образовавшегося ядра и электрона, то оказалось, что и здесь баланс не сходится. Таким образом, в процессе b-распада как будто нарушались все три классических закона сохранения, между тем как во всех других известных явлениях микромира они неукоснительно соблюдались.
