Первое, что мы можем попытаться сделать, это переместить явление в пространстве. Если мы проводим эксперимент в некотором месте, а затем создаем другое устройство в другом месте (или переносим туда старое) и повторяем наш опыт, то все должно повториться в той же временной последовательности, если мы обеспечим те же самые условия. При этом, конечно, все особенности окружающей среды, которые могут заставить устройство вести себя иначе, также должны быть перенесены — мы уже говорили о том, как определить, что именно надо учитывать в этих обстоятельствах, и не будем снова вдаваться в детали.Справочник по физике для студентов и абитуриентов. Трофимова Т.И.Сегодня мы также полагаем, что перемещение во времени не окажет влияния на физические законы. (Точнее, насколько нам известно сегодня!) Это означает, что если мы строим определенный аппарат и запускаем его в определенное время, скажем, в четверг в 10 часов утра, а затем строим такой же аппарат и запускаем его, например, через три дня при тех же условиях, оба аппарата будут совершать те же действия, в той же последователь ности, независимо от времени запуска. Конечно, при этом снова подразумевается, что основные особенности окружающей среды также видоизменены в соответствии со временем. Такая симметрия означает, конечно, что если некто купил акции Дженерал Моторс три месяца назад, с ними произошло бы то же самое, как если бы он купил их сегодня!Мы должны также отслеживать географические различия, потому что с изменением положения на Земле некоторые характеристики могут меняться. Поэтому, если, например, мы измеряем магнитное поле в некотором районе и переносим наш аппарат в другой район, он может работать не совсем так же, поскольку магнитное поле — другое, но мы говорим, что это происходит из-за магнитного поля Земли. Мы можем представить себе, что, если бы мы переместили оборудование вместе с земным шаром, работа аппаратуры не отличалась бы от прежней.Еще один вопрос, который мы детально обсудили, это вращение в пространстве: если мы поворачиваем аппаратуру на некоторый угол, то она работает так же, как и раньше, при условии, что мы повернули при этом всё, что существенно для ее работы. Мы довольно детально обсудили проблему симметрии при вращении в гл. 1 и создали математическую систему, названную векторным анализом, позволяющую достаточно полно и изящно учитывать вращательную симметрию.Справочник по физике для студентов и абитуриентов. Трофимова Т.И.На более высоком уровне мы имели другую симметрию — симметрию при равномерном и прямолинейном движении. Это довольно интересный эффект. Если работающий аппарат (со всем существенным окружением) поместить в автомобиль и заставить двигаться прямолинейно и с постоянной скоростью, тогда все, происходящее внутри автомобиля, остается прежним: все законы физики остаются точно такими же. Нам даже известно, как выразить это более точно: математические уравнения физических законов должны оставаться неизменными при преобразовании Лоренца. Кстати, именно изучение проблемы относительности заставило физиков сосредоточить свое внимание на симметриях в физических законах.Все вышеупомянутые симметрии имеют геометрическую природу, пространство и время более или менее тоже, но существуют симметрии совсем другого рода. Например, мы можем заменить один атом на другой атом того же вида; говоря иначе, существуют атомы одного и того же вида. То есть существуют такие группы атомов, что, если мы переставим пару из них местами, ничего не изменится — атомы идентичны. То, что может сделать один атом кислорода, может сделать и другой того же типа.Справочник по физике для студентов и абитуриентов. Трофимова Т.И.Кто-то может возразить: «Смешно, это же просто определение атомов одинаковых типов!» Возможно, это просто определение, но до опыта мы не знали, существуют ли «атомы того же самого типа»; факт заключается в том что существует много-много атомов одного и того же типа. Поэтому имеет определенный смысл говорить о том, что ничего не меняется при замене одного атома на другой атом того же типа. Так называемые элементарные частицы, из которых состоят атомы, также являются идентичными в указанном выше смысле — все электроны одинаковы, все протоны одинаковы, все положительные пионы одинаковы и так далее.После такого долгого перечисления того, что можно сделать, не оказывая влияния на физические явления, может показаться, что мы можем делать практически всё; поэтому давайте рассмотрим некоторые примеры, просто чтобы увидеть разницу. Предположим, мы задаем вопрос: «Симметричны ли физические законы при изменении масштаба?» Предположим, что мы построили некий аппарат, а затем строим его копию, увеличенную в пять раз. Будет ли копия работать таким же образом? Ответ в этом случае — нет\ Длина волны света, излучаемого, например, атомами натрия, находящимися внутри коробки, и длина волны света, излучаемого газом атомов натрия, занимающих в пять раз больший объем, не будет различаться в пять раз, а будет той же самой. Так что изменится отношение длины волны к размеру излучателя.Справочник по физике для студентов и абитуриентов. Трофимова Т.И.Другой пример: мы изредка видим в газете фотографии моделей знаменитых соборов, сделанных из маленьких спичек — потрясающе искусная работа некоего отставника, клеящего из спичек различные вещи. Это сложнее и удивительнее настоящего собора. Если мы представим себе, что этот деревянный собор построен в масштабе настоящего, то сразу поймем, в чем беда; он долго не простоит — все сооружение рухнет из-за того, что увеличенные модели из спичек недостаточно прочны. Могут заметить: «Да, но ведь существует внешнее влияние, его тоже надо пропорционально изменить!» Мы говорим здесь о способности объекта противостоять силе тяжести. Значит, когда мы взяли модель собора из реальных спичек и реальную Землю, и тогда все было устойчиво. Потом мы должны были бы взять увеличенный собор и увеличенную Землю. Но это еще хуже, потому что сила тяжести станет еще больше!Конечно, мы понимаем, что в основе зависимости явления от размеров лежит атомная природа строения вещества, и если бы нам удалось построить настолько маленький аппарат, что в нем было бы всего пять атомов, то это, со всей очевидностью, будет нечто, масштаб чего мы не сможем произвольно увеличивать или уменьшать. Ведь размер отдельного атома вовсе не произволен — он совершенно определенный.Справочник по физике для студентов и абитуриентов. Трофимова Т.И.Факт, что законы физики не остаются такими же при изменении масштаба, был открыт Галилеем. Он понял, что прочность материалов изменяется не в прямой пропорции с их размерами. Он иллюстрировал это свойство на примере, очень похожем на спичечный собор, нарисовав два скелета — собаки, в правильной пропорции для поддержания ее веса, и воображаемой ? сверхсобаки», которая была бы, скажем, в десять или тысячу раз крупнее. Получилось нечто весьма солидное и имело совсем другие пропорции. Мы не знаем, привел ли Галилея этот аргумент к выводу, что законы природы должны иметь определенный масштаб, но на него это открытие произвело такое впечатление, что он счел его столь же важным, как открытие законов движения. Именно поэтому он опубликовал оба этих открытия в одном томе, под названием «О двух Новых Науках».Еще один хорошо известный нам пример несимметричных законов таков: для системы, вращающейся с постоянной угловой скоростью, законы физики будут выглядеть не так, как у системы, которая не вращается. Если мы проведем эксперимент, а затем перенесем всю аппаратуру на космический корабль и заставим корабль вращаться в межпланетном пространстве с постоянной угловой скоростью, наша аппаратура не будет функционировать так, как раньше, из-за наличия центробежных или кориолисовых сил. На самом деле, мы можем узнать, что Земля вращается, наблюдая так называемый маятник Фуко, нам вовсе не нужно для этого смотреть на нее со стороны.Дальше мы рассмотрим очень интересную симметрию — обратимость времени. На первый взгляд кажется, что это невозможно, что физические законы не могут быть обращены во времени: «Движущийся палец пишет и, написав, движется дальше». Насколько мы можем судить, эта необратимость обусловлена очень большим числом участвующих частиц, а если бы мы видели отдельные молекулы, мы не могли бы определить, в каком направлении работает система — вперед или назад. Представим это поточнее: мы строим аппарат, в котором нам известно, что делают все атомы, в котором мы можем видеть даже покачивание атомов. Теперь строим другой аппарат, подобный первому, но который начинает свое движение в условиях окончания работы первого и при этом все скорости заменены на противоположные. Тогда он пройдет все этапы того же движения, но строго в обратном порядке. Справочник по физике для студентов и абитуриентов. Трофимова Т.И.Выразим это иначе: если мы снимем фильм, учитывающий мельчайшие детали, все внутренние процессы в веществе, и прокрутим его в обратную сторону, ни один физик не сможет сказать: «Это противоречит законам физики, здесь что-то не так!» Если же не видно деталей, то все становится совершенно ясно. Например, если мы видим яйцо, падающее на тротуар, затем видим, как ломается скорлупа и так далее, тогда мы с уверенностью говорим: «Это необратимо, потому что, если прокрутим пленку назад, яйцо соберется в целое, скорлупа восстановится на своем месте, а это просто смешно!» Но если мы наблюдаем за отдельными атомами, законы кажутся полностью обратимыми. Конечно, сделать такое открытие гораздо труднее, но явно справедливо, что фундаментальные физические законы, управляющие атомами и молекулами, обратимы во времени!