.svg/1280px-Asymmetric_(PSF).svg.png)
Асимметрия — это отсутствие или нарушение симметрии (свойство объекта быть инвариантным к трансформации, например, отражению). [1] Симметрия является важным свойством как физических, так и абстрактных систем, и ее можно отображать в точных или более эстетических терминах. [2] Ожидаемое или желательное отсутствие или нарушение симметрии может иметь важные последствия для системы.
Из-за того, как клетки делятся в организмах , асимметрия в организмах довольно распространена, по крайней мере, в одном измерении, при этом биологическая симметрия также распространена, по крайней мере, в одном измерении.
Луи Пастер предположил, что биологические молекулы асимметричны, потому что космические [то есть физические] силы, которые руководят их формированием, сами асимметричны. Хотя в его время, да и сейчас, подчеркивается симметрия физических процессов, известно, что существуют фундаментальные физические асимметрии, начиная со времени.
Асимметрия — важная и широко распространенная черта, неоднократно развивавшаяся у многих организмов и на многих уровнях организации (от отдельных клеток и органов до целых форм тела). Преимущества асимметрии иногда связаны с улучшением пространственного расположения, например, левое легкое человека меньше и имеет на одну долю меньше, чем правое легкое, чтобы освободить место для асимметричного сердца . В других примерах разделение функций между правой и левой половиной могло быть полезным и привело к усилению асимметрии. Такое объяснение обычно дается млекопитающим, предпочитающим руку или лапу ( рукость ), асимметрию в развитии навыков у млекопитающих. Обучение нейронных путей навыку одной рукой (или лапой) может потребовать меньше усилий, чем то же самое двумя руками. [3]
Природа также предоставляет несколько примеров ручности черт, которые обычно симметричны. Ниже приведены примеры животных с очевидной асимметрией слева и справа :
Поскольку врожденные дефекты и травмы, скорее всего, указывают на плохое здоровье организма, дефекты, приводящие к асимметрии, часто ставят животное в невыгодное положение при поиске партнера. Например, более высокая степень симметрии лица считается у людей более привлекательной, особенно в контексте выбора партнера. В целом, для многих видов существует корреляция между симметрией и характеристиками, связанными с приспособленностью, такими как скорость роста, плодовитость и выживаемость. Это означает, что в результате полового отбора особи с большей симметрией (и, следовательно, приспособленностью) имеют тенденцию быть предпочтительными в качестве партнеров, поскольку они с большей вероятностью произведут на свет здоровое потомство. [10]
Досовременные архитектурные стили, как правило, делали упор на симметрию, за исключением случаев, когда экстремальные условия местности или исторические события отклоняются от этого классического идеала. Напротив, модернистские и постмодернистские архитекторы стали гораздо свободнее использовать асимметрию как элемент дизайна.
В то время как большинство мостов имеют симметричную форму из-за присущей им простоты проектирования, анализа и изготовления, а также экономичного использования материалов, ряд современных мостов намеренно отступили от этого, либо в ответ на соображения, специфичные для конкретного места, либо для создания эффектного дизайна.
Некоторые асимметричные структуры
В огнестойких стеновых конструкциях , используемых для пассивной противопожарной защиты , включая, помимо прочего, противопожарные барьеры высоковольтных трансформаторов , асимметрия является решающим аспектом конструкции. При проектировании объекта не всегда точно известно, с какой стороны в случае пожара может возникнуть пожар. Поэтому во многих строительных нормах и стандартах испытаний на огнестойкость указано, что симметричную сборку необходимо проверять только с одной стороны, поскольку обе стороны одинаковы. Однако, как только сборка становится асимметричной, необходимо протестировать обе стороны, и в отчете об испытаниях должны быть указаны результаты для каждой стороны. При практическом использовании наименьший достигнутый результат — это тот, который указан в списках сертификации . Ни спонсор испытания, ни лаборатория не могут прийти к выводу или сделать вывод о том, какая сторона подвергалась большей опасности в результате предполагаемого тестирования, а затем протестировать только одну сторону. Оба должны быть проверены на соответствие стандартам испытаний и строительным нормам .
В математике асимметрия может возникать по-разному. Примеры включают асимметричные отношения , асимметрию фигур в геометрии, асимметричные графы и так далее.
Определяя, является ли объект асимметричным, обратите внимание на линии симметрии . Например, квадрат имеет четыре оси симметрии, а круг — бесконечность . Если у формы нет линий симметрии, то она асимметрична, а если у объекта есть линии симметрии, то он симметричен .
Асимметричное отношение — это бинарное отношение , определенное для набора элементов, такое, что если оно выполняется для элементов и , то оно должно быть ложным. Другими словами, асимметричное отношение характеризуется необходимым отсутствием симметрии отношения в противоположном направлении.
Неравенства служат примером асимметричных отношений. Рассмотрим элементы и . Если меньше ( ), то не может быть больше ( ). [11] Это подчеркивает, что отношения «меньше чем» и «больше чем» не являются симметричными.
Напротив, если равно ( ), то также равно ( ). Таким образом, бинарное отношение «равно» является симметричным .
Некоторые молекулы хиральны ; то есть их нельзя накладывать на свое зеркальное изображение. Химически одинаковые молекулы с разной хиральностью называются энантиомерами ; эта разница в ориентации может привести к различным свойствам их реакции с биологическими системами.
Асимметрия возникает в физике в ряде различных областей.
Первоначальная нестатистическая формулировка термодинамики была асимметричной во времени : она утверждала, что энтропия в закрытой системе может только увеличиваться со временем. Это было получено на основе Второго закона (можно использовать любое из двух утверждений Клаузиуса или лорда Кельвина, поскольку они эквивалентны) и теоремы Клаузиуса (см. ISBN Керсона Хуанга 978-0471815181 ). Однако более поздняя теория статистической механики симметрична во времени. Хотя в нем утверждается, что система, энтропия значительно ниже максимальной, с большой вероятностью будет развиваться в сторону более высокой энтропии, в нем также утверждается, что такая система, скорее всего, развилась из более высокой энтропии.
Симметрия — один из самых мощных инструментов в физике элементарных частиц , поскольку стало очевидно, что практически все законы природы возникают из симметрии. Таким образом, нарушения симметрии представляют собой теоретические и экспериментальные загадки, которые ведут к более глубокому пониманию природы. Асимметрия в экспериментальных измерениях также обеспечивает надежную основу, которая часто относительно свободна от фоновых или систематических неопределенностей.
До 1950-х годов считалось, что фундаментальная физика симметрична слева и справа; т. е. взаимодействия были инвариантными относительно четности . Хотя четность сохраняется в электромагнетизме , сильных взаимодействиях и гравитации , она оказывается нарушенной в слабых взаимодействиях . Стандартная модель включает нарушение четности, выражая слабое взаимодействие как киральное калибровочное взаимодействие. В слабых взаимодействиях Стандартной модели участвуют только левые компоненты частиц и правые компоненты античастиц. Следствием нарушения четности в физике элементарных частиц является то, что нейтрино наблюдаются только как левые частицы (а антинейтрино как правые частицы).
В 1956–1957 годах Чиен-Шиунг Ву , Э. Эмблер, Р. В. Хейворд, Д. Д. Хоппес и Р. П. Хадсон обнаружили явное нарушение сохранения четности при бета-распаде кобальта-60. [ нужна цитата ] Одновременно Р. Л. Гарвин , Леон Ледерман и Р. Вайнрих модифицировали существующий циклотронный эксперимент и немедленно подтвердили нарушение четности. [ нужна цитата ]
После открытия нарушения четности в 1956–57 считалось, что сохраняется комбинированная симметрия четности (P) и одновременного зарядового сопряжения (C), названная CP . Например, CP превращает левое нейтрино в правое антинейтрино. Однако в 1964 году Джеймс Кронин и Вэл Фитч представили четкие доказательства того, что CP-симметрия также нарушалась в эксперименте с нейтральными каонами .
CP-нарушение является одним из необходимых условий возникновения барионной асимметрии в ранней Вселенной.
Сочетание CP-симметрии с одновременным обращением времени (T) дает комбинированную симметрию, называемую CPT-симметрией . CPT-симметрия должна сохраняться в любой лоренц-инвариантной локальной квантовой теории поля с эрмитовым гамильтонианом . По состоянию на 2006 г. нарушений симметрии CPT не наблюдалось.
Барионы (т.е. протоны , нейтроны и атомы, которые они содержат), наблюдаемые до сих пор во Вселенной, в подавляющем большинстве своем представляют собой материю , а не антиматерию . Эта асимметрия называется барионной асимметрией Вселенной.
Изоспин — это преобразование симметрии слабых взаимодействий . Это понятие было впервые введено Вернером Гейзенбергом в ядерной физике на основе наблюдений о том, что массы нейтрона и протона почти одинаковы и что сила сильного взаимодействия между любой парой нуклонов одинакова, независимо от того, являются ли они протонами. или нейтроны. Эта симметрия возникает на более фундаментальном уровне как симметрия между кварками верхнего и нижнего типов . Изоспиновую симметрию в сильных взаимодействиях можно рассматривать как подмножество более крупной ароматной группы симметрии, в которой сильные взаимодействия инвариантны при обмене кварками разных типов. Включение странного кварка в эту схему приводит к появлению схемы Восьмеричного Пути для классификации мезонов и барионов.
Изоспин нарушается тем, что массы верхних и нижних кварков различны, а также их разными электрическими зарядами. Поскольку это нарушение является лишь небольшим эффектом в большинстве процессов, в которых участвуют сильные взаимодействия, изоспиновая симметрия остается полезным расчетным инструментом, и ее нарушение вносит поправки в результаты изоспиновой симметрии.
Поскольку слабые взаимодействия нарушают четность, коллайдерные процессы, которые могут включать слабые взаимодействия, обычно демонстрируют асимметрию в распределении частиц в конечном состоянии. Эти асимметрии обычно чувствительны к разнице во взаимодействии между частицами и античастицами или между левыми и правыми частицами. Таким образом, их можно использовать для чувствительного измерения различий в силе взаимодействия и/или для различения небольшого асимметричного сигнала от большого, но симметричного фона.
