Симметрия в природе

 

 

 

Реферат

по дисциплине «Естественно-научная  картина мира»

на тему: «Симметрия в  природе»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

студентки 1 курса

заочного отделения

факультета социальной работы,

педагогики и психологии Капля Оксаны

 

Преподаватель: Якимова Елена  Борисовна 

Содержание

Введение ……………………………..……………………………………………3

1. Понятие симметрии ……………………………………………………………5

2. Симметрия в природе ………………………………………………………….7

3. Типы симметрии ……………………………………………………………...11

4. Симметрия у растений ……………………………………………………….12

5. Симметрия у человека ………………………………………………………..13

6. Симметрия у животных ……………………………………………………...14

7. Зеркальная симметрия ……….……………………………………………….15

8. Радиальная симметрия ……………………………………………………….17

9. Поворотная симметрия ………………………………………………………19

10. Винтовая или спиральная  симметрия ……………………………………...19

Заключение ………………………………………………………………………20

Список литературы ……………………………………………………………...22

 

 

 

Введение

Если внимательно присмотреться  ко всему, что нас окружает, то можно  заметить, что мы живём в довольно-таки симметричном мире. Все живые организмы в той или иной степени отвечают законам симметрии: люди, животные, рыбы, птицы, насекомые – всё построено по её законам. Симметричны снежинки, кристаллы, листья, плоды, даже наша шарообразная планета обладает почти идеальной симметрией.

Симметрия является одной  из наиболее фундаментальных и одной  из наиболее общих закономерностей  мироздания: неживой, живой природы  и общества. С симметрией мы встречаемся  всюду. Понятие симметрии проходит через всю многовековую историю  человеческого творчества. Оно встречается  уже у истоков человеческого  знания; его широко используют все  без исключения направления современной  науки.

Что же такое симметрия? Почему симметрия буквально пронизывает  весь окружающий нас мир? Существуют, в принципе, две группы симметрий.

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.

Слово «симметрия» знакомо нам с детства. Глядя в зеркало, мы видим симметричные половинки лица, глядя на ладошки, мы тоже видим зеркально-симметричные объекты. Взяв в руку цветок ромашки, мы убеждаемся, что путём поворотов её вокруг стебелька, можно добиться совмещения разных частей цветка. Это уже другой тип симметрии: поворотный. Существует большое количество типов симметрии, но все они неизменно отвечают одному общему правилу: при некотором преобразовании симметричный объект неизменно совмещается сам с собой.

Природа не терпит точной симметрии. Всегда есть хотя бы незначительные отклонения. Так, наши руки, ноги, глаза и уши не полностью идентичны друг другу, пусть и очень похожи. И так для каждого объекта. Природа создавалась не по принципу однотипности, а по принципу согласованности, соразмерности. Именно соразмерность является древним значением слова «симметрия». Философы античности считали симметрию и порядок сущностью прекрасного. Архитекторы, художники и музыканты с древнейших времён знали и пользовались законами симметрии. И в то же время лёгкое нарушение этих законов может придать объектам неповторимый шарм и прямо-таки волшебное очарование. Так, именно лёгкой асимметрией некоторые искусствоведы объясняют красоту и магнетизм таинственной улыбки Джоконды Леонардо да Винчи.

Симметрия порождает гармонию, которая воспринимается нашим мозгом, как необходимый атрибут прекрасного. А значит, даже наше сознание живёт по законам симметричного мира.

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, через  понятие симметрии.

Симме́три́я (др.-гр. συμμετρία – симметрия) – сохранение свойств расположения элементов фигуры относительно центра или оси симметрии в неизменном состоянии при каких-либо преобразованиях.

Слово «симметрия» имеет  двойственное толкование. 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. Из этого высказывания следует, что Аристотель, пожалуй, был ближе всех к открытию одной из самых фундаментальных закономерностей Природы - закономерности о ее двойственности.

Характерно, что к наиболее интересным результатам наука приходила  именно тогда, когда устанавливались факты нарушения симметрии. Следствия, вытекающие из принципа симметрии, интенсивно разрабатывались физиками в прошлом веке и привели к ряду важных результатов. Такими следствиями законов симметрии являются, прежде всего, законы сохранения классической физики.

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. Все признаки симметрии во многих ее определениях 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.

 

1. Понятие  симметрии

 

Одним из важных открытий современного естествознания является тот факт, что все многообразие окружающего нас физического  мира связано с тем или иным нарушением определенных видов симметрий. Чтобы это утверждение стало  более понятным, рассмотрим подробнее  понятие симметрии. «Симметричное  обозначает нечто, обладающее хорошим  соотношением пропорций, а симметрия  – тот вид согласованности  отдельных частей, который объединяет их в целое. Красота тесно связана  с симметрией», - писал Г. Вейль в своей книге «Этюды о симметрии».1 Он ссылается при этом не только на пространственные соотношения, т.е. геометрическую симметрию. Разновидностью симметрии он считает гармонию в музыке, указывающую на акустические приложения симметрии.

Зеркальная симметрия  в геометрии относится к операциям  отражения или вращения. Она достаточно широко встречается в природе. Наибольшей симметрией в природе обладают кристаллы (например, симметрия снежинок, природных  кристаллов), однако не у всех из них  наблюдается зеркальная симметрия. Известны так называемые оптически  активные кристаллы, которые поворачивают плоскость поляризации падающего  на них света. В общем случае симметрия  выражает степень упорядоченности  какой-либо системы или объекта. Например, круг более упорядочен и, следовательно, симметричен, чем квадрат. В свою очередь, квадрат более  симметричен, чем прямоугольник. Другими  словами, симметрия – это неизменность (инвариантность) каких-либо свойств  и характеристик объекта по отношению  к каким-либо преобразованиям (операциям) над ним. Например, окружность симметрична  относительно любой прямой (оси симметрии), лежащей в ее плоскости и проходящей через центр, она симметрична  и относительно центра. Операциями симметрии в данном случае будут  зеркальное отражение относительно оси и вращение относительно центра окружности.

В широком смысле симметрия – это понятие, отображающее существующий в объективной действительности порядок, определенное равновесное  состояние, относительную устойчивость, пропорциональность и соразмерность  между частями целого. Противоположным  понятием является понятие асимметрии, которое отражает существующее в  объективном мире нарушение порядка, равновесия, относительной устойчивости, пропорциональности и соразмерности  между отдельными частями целого, связанное с изменением, развитием  и организационной перестройкой. Уже отсюда следует, что асимметрия может рассматриваться как источник развития, эволюции, образования нового. Симметрия может быть не только геометрической. Различают геометрическую и динамическую формы симметрии (и, соответственно, асимметрии). К геометрической форме симметрии (внешние симметрии) относятся свойства пространства – времени, такие как однородность пространства и времени, изотропность пространства, эквивалентность инерциальных систем отсчета и т.д.

К динамической форме  относятся симметрии, выражающие свойства физических взаимодействий, например, симметрии электрического заряда, симметрии  спина и т.п. (внутренние симметрии). Современная физика, однако, раскрывает возможность сведения всех симметрий  к геометрическим симметриям.

 

2. Симметрия в природе

 

Симметрией обладают объекты  и явления живой природы. Она  позволяет живым организмам лучше  приспособиться к среде обитания и просто выжить.

В живой природе огромное большинство живых организмов обнаруживает различные виды симметрий (формы, подобия, относительного расположения). Причем организмы разного анатомического строения могут иметь один и тот  же тип внешней симметрии.

Внешняя симметрия может  выступить в качестве основания  классификации организмов (сферическая, радиальная, осевая и т.д.) Микроорганизмы, живущие в условиях слабого воздействия  гравитации, имеют ярко выраженную симметрию формы.

На явления симметрии  в живой природе обратили внимание ещё в Древней Греции пифагорейцы  в связи с развитием учения о гармонии (V век до н.э.). В XIX веке появились единичные работы, посвящённые симметрии в растительном и животном мире.

В XX веке усилиями российских учёных – В Беклемишева, В. Вернадского, В Алпатова, Г. Гаузе – было создано  новое направление в учении о  симметрии – биосимметрика, которое, исследуя симметрии биоструктур  на молекулярном и надмолекулярном  уровнях, позволяет заранее определить возможные варианты симметрии в  биообъектах, строго описывать внешнюю  форму и внутреннее строение любых  организмов.

Идея симметрии часто  являлась отправным пунктом в  гипотезах и теориях ученых прошлого. Вносимая симметрией упорядоченность  проявляется, прежде всего, в ограничении  многообразия возможных структур, в  сокращении числа возможных вариантов. В качестве важного физического  примера можно привести факт существования  определяемых симметрией ограничений  разнообразия структур молекул и  кристаллов. Поясним эту мысль  на следующем примере. Допустим, что  в некоторой отдаленной галактике  обитают высокоразвитые существа, увлекающиеся среди прочих занятий также играми. Мы можем ничего не знать о вкусах этих существ, о строении их тела и  особенностях психики. Однако достоверно, что их игральные кости имеют  одну из пяти форм - тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр, икосаэдр. Всякая иная форма  игральной кости в принципе исключена, поскольку требование равновероятности выпадения при игре любой грани  предопределяет использование формы  правильного многогранника, а таких  форм только пять.

Идея симметрии часто  служила ученым путеводной нитью  при рассмотрении проблем мироздания. Наблюдая хаотическую россыпь звезд  на ночном небе, мы понимаем, что за внешним хаосом скрываются вполне симметричные спиральные структуры галактик, а  в них - симметричные структуры планетных  систем. Симметрия внешней формы  кристалла является следствием ее внутренней симметрии – упорядоченного взаимного  расположения в пространстве атомов (молекул). Иначе говоря, симметрия кристалла связана с существованием пространственной решетки из атомов, так называемой кристаллической решетки.

Согласно современной  точке зрения, наиболее фундаментальные  законы природы носят характер запретов. Они определяют, что может, а что  не может происходить в природе. Так, законы сохранения в физике элементарных частиц являются законами запрета. Они  запрещают любое явление, при  котором изменялась бы "сохраняющаяся  величина", являющаяся собственной  «абсолютной» константой (собственным  значением) соответствующего объекта  и характеризующая его «вес»  в системе других объектов. И эти  значения являются абсолютными до тех  пор, пока такой объект существует.

В современной науке все  законы сохранения рассматриваются  именно как законы запрета. Так, в  мире элементарных частиц многие законы сохранения получены как правила, запрещающие  те явления, которые никогда не наблюдаются  в экспериментах.

Советский ученый академик В. И. Вернадский писал в 1927 году: "Новым  в науке явилось не выявление  принципа симметрии, а выявление  его всеобщности".

Действительно, всеобщность  симметрии поразительна. Симметрия  устанавливает внутренние связи между объектами и явлениями, которые внешне никак не связаны.