.svg/1280px-Asymmetric_(PSF).svg.png)
Асимметрия — это отсутствие или нарушение симметрии (свойство объекта быть инвариантным к преобразованию, такому как отражение). [1] Симметрия — важное свойство как физических, так и абстрактных систем, и она может быть отображена в точных терминах или в более эстетических терминах. [2] Отсутствие или нарушение симметрии, которые либо ожидаемы, либо желательны, могут иметь важные последствия для системы.
Из-за особенностей деления клеток в организмах асимметрия в организмах встречается довольно часто, 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, поскольку космические [т. е. физические] силы, которые руководят их формированием, сами по себе асимметричны. Хотя в его время, и даже сейчас, симметрия физических процессов подчеркивается, известно, что существуют фундаментальные физические асимметрии, начиная со времени.
Асимметрия — важная и широко распространенная черта, которая многократно развивалась во многих организмах и на многих уровнях организации (от отдельных клеток, органов до целых форм тела). Преимущества асимметрии иногда связаны с улучшенным пространственным расположением, 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 для предпочтения руки или лапы млекопитающих ( рукости ), асимметрии в развитии навыков у млекопитающих. Обучение нервных путей навыку с помощью одной руки (или лапы) может потребовать меньше усилий, чем выполнение того же самого обеими руками. [3]
Природа также дает несколько примеров леворукости в чертах, которые обычно симметричны. Ниже приведены примеры животных с очевидной лево-правой асимметрией :
Поскольку врожденные дефекты и травмы, скорее всего, указывают на плохое здоровье организма, дефекты, приводящие к асимметрии, часто ставят животное в невыгодное положение, когда дело доходит до поиска партнера. Например, большая степень симметрии лица рассматривается как более привлекательная у людей, особенно в контексте выбора партнера. В целом, существует корреляция между симметрией и связанными с приспособленностью признаками, такими как скорость роста, плодовитость и выживаемость для многих видов. Это означает, что посредством полового отбора особи с большей симметрией (и, следовательно, приспособленностью) имеют тенденцию быть предпочтительными в качестве партнеров, поскольку они с большей вероятностью произведут здоровое потомство. [10]
Домодернистские архитектурные стили имели тенденцию делать акцент на симметрии, за исключением случаев, когда экстремальные условия местности или исторические события уводили от этого классического идеала. Напротив, модернистские и постмодернистские архитекторы стали гораздо более свободны в использовании асимметрии как элемента дизайна.
В то время как большинство мостов имеют симметричную форму из-за простоты конструкции, анализа и изготовления, а также экономичного использования материалов, ряд современных мостов намеренно отходят от этой формы, либо в ответ на специфические особенности места строительства, либо для создания эффектного дизайнерского решения.
Некоторые асимметричные структуры
В огнестойких стеновых сборках , используемых в пассивной противопожарной защите , включая, помимо прочего, противопожарные барьеры высоковольтных трансформаторов , асимметрия является важнейшим аспектом проектирования. При проектировании объекта не всегда точно известно, с какой стороны в случае пожара может возникнуть пожар. Поэтому многие строительные нормы и стандарты испытаний на огнестойкость указывают, что симметричную сборку нужно испытывать только с одной стороны, поскольку обе стороны одинаковы. Однако, как только сборка становится асимметричной, обе стороны должны быть испытаны, и в отчете об испытаниях должны быть указаны результаты для каждой стороны. На практике самым низким достигнутым результатом является тот, который появляется в списках сертификации . Ни спонсор испытаний, ни лаборатория не могут исходить из мнения или вывода относительно того, какая сторона была в большей опасности в результате предполагаемого испытания, а затем испытывать только одну сторону. Обе стороны должны быть испытаны, чтобы соответствовать стандартам испытаний и строительным нормам .
В математике асимметрия может возникать различными способами. Примерами служат асимметричные отношения , асимметрия фигур в геометрии, асимметричные графы и т. д.
При определении того, является ли объект асимметричным, ищите линии симметрии . Например, квадрат имеет четыре линии симметрии, а круг — бесконечное количество . Если у фигуры нет линий симметрии, то она асимметрична, но если у объекта есть линии симметрии, то он симметричен .
Асимметричное отношение — это бинарное отношение, определенное на множестве элементов таким образом, что если выполняется для элементов и , то должно быть ложным. Иными словами, асимметричное отношение характеризуется необходимым отсутствием симметрии отношения в противоположном направлении.
Неравенства иллюстрируют асимметричные отношения. Рассмотрим элементы и . Если меньше ( ), то не может быть больше ( ). [11] Это подчеркивает, что отношения «меньше» и, аналогично, «больше» не являются симметричными.
Напротив, если равно ( ), то равно также ( ). Таким образом, бинарное отношение «равно» является симметричным .
В общем случае асимметричный тензор определяется изменением знаков его решения при перестановке двух индексов.
Эпсилон -тензор является примером асимметричного тензора. Он определяется как:
,с . [12] Для четных или нечетных перестановок индексов тензор равен либо 1, либо -1.
Некоторые молекулы хиральны ; то есть они не могут быть наложены на свое зеркальное отражение. Химически идентичные молекулы с разной хиральностью называются энантиомерами ; эта разница в ориентации может привести к разным свойствам в том, как они реагируют с биологическими системами.
Асимметрия возникает в физике в различных областях.
Первоначальная нестатистическая формулировка термодинамики была асимметричной во времени : она утверждала, что энтропия в замкнутой системе может только увеличиваться со временем. Это было выведено из Второго закона ( можно использовать любой из двух, утверждение Клаузиуса или лорда Кельвина , поскольку они эквивалентны) и с использованием теоремы Клаузиуса (см. Керсон Хуан ISBN 978-0471815181 ). Однако более поздняя теория статистической механики симметрична во времени. Хотя она утверждает, что система, значительно ниже максимальной энтропии, с большой вероятностью будет эволюционировать в сторону более высокой энтропии, она также утверждает, что такая система с большой вероятностью эволюционировала из более высокой энтропии.
Симметрия является одним из самых мощных инструментов в физике элементарных частиц , поскольку стало очевидным, что практически все законы природы берут начало в симметриях. Нарушения симметрии, таким образом, представляют собой теоретические и экспериментальные головоломки, которые ведут к более глубокому пониманию природы. Асимметрии в экспериментальных измерениях также предоставляют мощные рычаги, которые часто относительно свободны от фоновых или систематических неопределенностей.
До 1950-х годов считалось, что фундаментальная физика имеет лево-правую симметрию; т. е. взаимодействия инвариантны 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 хиральное калибровочное взаимодействие. В слабых взаимодействиях Стандартной модели участвуют только левосторонние компоненты частиц и правосторонние компоненты античастиц. Следствием нарушения четности в физике элементарных частиц является то, что нейтрино наблюдались только как левосторонние частицы (а антинейтрино как правосторонние частицы).
В 1956–1957 годах Цзяньсюн У , Э. Эмблер, Р. В. Хейворд, Д. Д. Хоппс и Р. П. Хадсон обнаружили явное нарушение закона сохранения четности в бета-распаде кобальта-60. [ необходима ссылка ] Одновременно с этим Р. Л. Гарвин , Леон Ледерман и Р. Вайнрих модифицировали существующий циклотронный эксперимент и немедленно подтвердили нарушение четности. [ необходима ссылка ]
После открытия нарушения четности в 1956–57 годах считалось, что комбинированная симметрия четности (P) и одновременного зарядового сопряжения (C), называемая CP , сохраняется. Например, CP преобразует левополяризованное нейтрино в правополяризованное антинейтрино. Однако в 1964 году Джеймс Кронин и Вэл Фитч представили четкие доказательства того, что CP-симметрия также была нарушена в эксперименте с нейтральными каонами .
Нарушение CP-симметрии является одним из необходимых условий возникновения барионной асимметрии в ранней Вселенной.
Объединение 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 год нарушений CPT-симметрии не наблюдалось.
Барионы (т. е. протоны и нейтроны , а также атомы, которые они составляют), наблюдаемые до сих пор во Вселенной, в подавляющем большинстве являются материей , в отличие от антиматерии . Эта асимметрия называется барионной асимметрией Вселенной.
Изоспин — это преобразование симметрии слабых взаимодействий . Это понятие было впервые введено Вернером Гейзенбергом в ядерную физику на основе наблюдений, что массы нейтрона и протона почти идентичны и что сила сильного взаимодействия между любой парой нуклонов одинакова, независимо от того, являются ли они протонами или нейтронами. Эта симметрия возникает на более фундаментальном уровне как симметрия между кварками верхнего и нижнего типов . Симметрию изоспина в сильных взаимодействиях можно рассматривать как подмножество более крупной группы симметрии ароматов , в которой сильные взаимодействия инвариантны относительно обмена различными типами кварков. Включение странного кварка в эту схему приводит к схеме Восьмеричного пути для классификации мезонов и барионов.
Изоспин нарушается тем фактом, что массы верхних и нижних кварков различны, а также их различными электрическими зарядами. Поскольку это нарушение является лишь небольшим эффектом в большинстве процессов, включающих сильные взаимодействия, изоспиновая симметрия остается полезным вычислительным инструментом, и ее нарушение вносит поправки в изоспин-симметричные результаты.
Поскольку слабые взаимодействия нарушают четность, коллайдерные процессы, которые могут включать слабые взаимодействия, обычно демонстрируют асимметрии в распределениях частиц в конечном состоянии. Эти асимметрии обычно чувствительны к разнице во взаимодействии между частицами и античастицами или между левосторонними и правосторонними частицами. Таким образом, их можно использовать в качестве чувствительного измерения различий в силе взаимодействия и/или для различения небольшого асимметричного сигнала от большого, но симметричного фона.
