Симетрія і краса природи - стимул до визначних наукових відкриттів
Поняття симетрії добре відоме і відіграє важливу роль у повсякденному житті. Симетрії, що відповідають обертанню і відбиванню, наочні і радують наш зір, але вони не вичерпують весь запас симетрій, що існує в природі.
Краса – поняття розпливчасте, але немає сумніву в тому, що саме вона служить джерелом натхнення вчених. Природа є живим втіленням краси. Ми не знаємо чому, але практика вчить нас, що краса несе з собою користь. Для багатьох вчених наука стала сенсом їхнього життя. Ось як про це красномовно висловлювалися Галілео Галілея (1564-1642): «Ніщо велике у Світі не здійснювалося без пристрасті», та М. С. К`юрі (1867-1934): «Я належу до тих вчених, хто вважає, що в науці живе велика краса. Вчений у своїй лабораторії не тільки технік – перед явищем природи він відчуває такі почуття, як мала дитина слухаючі цікаву казку».
Ефективні теорії завжди красиві. Але красиві не тому, що ефективні, а тому, що наділені внутрішньою симетрією й економічні з точки зору математики.
Найважливішим досягненням Ісаака Ньютона (1642 – 1727) було введення поняття фізичної теорії. В основі теорії лежать декілька основних законів, на базі яких можна робити різні прогнозування. Теорія руху І. Ньютона, відома під назвою “ньютонівська механіка”, заснована на невеликій кількості простих законів, з яких можна вивести будь-які типи механічного руху.
Після того, як Ньютон запропонував свої теорії, стали з’являтися й інші, а уявлення про електрику і магнетизм через багато років завдяки зусиллями Джемса Максвелла (1831 – 1879) матеріалізувалися в теорію електромагнетизму. Тоді ж була сформульована теорія теплоти. Тепер усі вони стали класичними теоріями.
Маніпулюючи символами в рівняннях, вчені постійно намагаються розкрити весь набір симетрій, в тому числі і тих, які непомітні “неозброєним оком”. У деяких випадках, коли подальший шлях нечіткий, саме математична краса та витонченість ведуть вчених до істини.
Класичний приклад такого типу, що виник у ХІХ столітті, належить до законів електромагнітного поля. У 1820 році Ганс Христіан Ерстед (1777-1851) відкрив симетричне магнітне поле навколо провідника з електричним струмом. Це відкриття дозволило Майклу Фарадею (1791-1867) завдяки пошуковим експериментам через одинадцять років без єдиної математичної формули встановити явище електромагнітної індукції (електрика і магнетизм тісно пов’язані між собою і що одне породжує інше).
Дію електричних і магнітних сил зручніше всього було описати, користуючись поняттям поля, як невидимої матерії, що породжується ними та розповсюджується далеко в просторі, впливаючи на заряджені частинки та інші тіла.
У 50-х роках ХІХ ст., Д. Максвелл виконав титанічну роботу для того, щоб “перекласти М. Фарадея на мову математики”. Спираючись на нукові факти, він створив теорію, яка зв’язала електричне і магнітне поля єдиною системою рівнянь. Спочатку Д. Максвелл виявив, що ці рівняння мають “незбалансовані” члени, які мають певну асиметрію. Щоб надати рівнянням більш красивий симетричний вигляд, він ввів додатковий член. Його можна було інтерпретувати як непомічений раніше ефект – породження магнетизму змінним електричним полем, але виявилося, що такий ефект справді має місце. Природа, очевидно, схвалила цей естетичний смак!
Введення Д. Максвеллом додаткового члена до рівнянь мало надзвичайно значні наслідки. Ці рівняння можна вважати першою єдиною теорією поля, у якій доведено скінченість швидкості взаємодії, яка дорівнює швидкості світла у вакуумі (с=2,99793•1010см/сек). Прихильники, так званої, “далекої” взаємодії, а до них належали такі визначні вчені, як Ш.О. Кулон (1736 - 1806), А.М. Ампер (1775 - 1836) вважали, що електричне притягання або відштовхування здійснюється миттєво, незалежно від відстані між зарядженими частинками. Рівняння показали, що дві сили природи, які вважаються на перший погляд зовсім різними, насправді можуть виявитися двома різними проявами єдиної сили.
По-друге, розв’язання рівнянь Д. Максвелла дало неочікувані, але дуже багатообіцяючі результати. З’ясувалося, що рівняння Д. Максвелла описують різні синусоїдальні функції (знову симетрія електромагнітних хвиль.
Відкриття електромагнітних хвиль мало значні наслідкидля розвитку радіотехніки і в кінцевому результаті призвели до сучасної революції в електроніці та інформатиці.
М.Й. Доліво-Добровольський (1862 - 1918) продовжив роботу своїх попередників і скориставшись симетрією вирішив найскладнішу технічну проблему – створив трифазний генератор змінного струму. Наочно і точно описав явище в колах трифазного змінного струму загалом і в електричних машинах та трансформаторах зокрема, при симетричному розміщенні та з’єднанні («зіркою», «трикутником») трифазних обмоток електричних машин, електричних мереж, надавши вченим можливість подальшого розвитку і поглиблення його ідей, які дали життя сучасній енергетиці.
Достатньо пригадати його міркування 1891 р. щодо ідеального кругового обертаючого магнітного поля, що створене за допомогою трьох котушок, розміщених під кутом 1200 одна до одної у вісі їх перетину, які живляться синусоїдальним змінним струмом.
В енергетиці з симетрією пов’язано дуже багато, наприклад, будівництво парових енергетичних котлів (симетрія паро-генеруючих поверхонь нагріву), турбін (симетрія паровпуску), тощо. До всього цього потрібно додати тільки краси, якої не буває забагато.
Виявлення І. Ньютоном зв’язку між гравітацією та рухом планет стало початком народження нової ери. Встановлення зв’язків термодинамічних властивостей газу з хаотичним рухом молекул поставило на тверду основу атомну теорію будови речовин та твердих тіл. Ернест Резерфорд (1871-1937) у 1911 році запропонував і описав планетарну теорію будови атома: у центрі атома надзвичайно щільне скупчення маси - ядро, яке має позитивний заряд. Навколо ядра, на певних орбітах (знову ж таки симетрично), постійно обертаються негативно заряджені частинки – електрони, сума мас яких у 1840 разів менша ніж маса ядра атома.
Встановлення Ернестом Резерфордом (1871-1937) та його учнями, так званого, дефекту маси 1932 року проклало шлях до штучного перетворення елементів в енергію і до ядерної енергетики.
Оскільки вже існуючих окремих теорій достатньо, щоб робити точні передбачення у всіх ситуаціях, крім екстремальних, пошук симетрії і краси у природі та кінцевої теорії Всесвіту триває. „Наші знання ніколи не можуть мати кінця тому, що предмет пізнання безкінечний”, відмічав Блез Паскаль(1623-1662).Цитування та використання будь-яких матеріалів порталу Etar на інших сайтах дозволяється лише з гіперпосиланням: www.etar.com.ua
в начало
