Симметрия (от древнегреческого συμμετρία ( summetría ) «согласованность размеров, правильная пропорция, расположение») [1] в повседневной жизни относится к ощущению гармоничной и красивой пропорции и равновесия. [2] [3] [a] В математике этот термин имеет более точное определение и обычно используется для обозначения объекта, который остается неизменным при некоторых преобразованиях , таких как перенос , отражение , вращение или масштабирование . Хотя эти два значения слова иногда можно разделить, они неразрывно связаны и, следовательно, обсуждаются вместе в этой статье.
Математическая симметрия может наблюдаться по отношению к течению времени ; как пространственное отношение ; посредством геометрических преобразований ; посредством других видов функциональных преобразований; и как аспект абстрактных объектов , включая теоретические модели , язык и музыку . [4] [b]
В этой статье симметрия описывается с трех точек зрения: в математике , включая геометрию , наиболее знакомый многим тип симметрии; в науке и природе ; и в искусстве, охватывающем архитектуру , изобразительное искусство и музыку.
Противоположностью симметрии является асимметрия , которая означает отсутствие симметрии.
Геометрическая форма или объект симметричны, если их можно разделить на две или более одинаковых частей, которые расположены организованным образом. [5] Это означает, что объект симметричен, если существует преобразование, которое перемещает отдельные части объекта, но не изменяет общую форму. Тип симметрии определяется тем, как организованы части, или типом преобразования:
Диадическое отношение R = S × S симметрично, если для всех элементов a , b из S , всякий раз, когда верно, что Rab , верно и то, что Rba . [13] Таким образом, отношение «того же возраста, что и» симметрично, поскольку если Пол того же возраста, что и Мэри, то и Мэри того же возраста, что и Пол.
В пропозициональной логике симметричные бинарные логические связки включают and (∧, или &), или (∨, или |) и если и только если (↔), в то время как связка if (→) не является симметричной. [14] Другие симметричные логические связки включают nand (не-и, или ⊼), xor (не-биусловный, или ⊻) и nor (не-или, или ⊽).
Обобщая геометрическую симметрию из предыдущего раздела, можно сказать, что математический объект симметричен относительно заданной математической операции , если, будучи примененной к объекту, эта операция сохраняет некоторое свойство объекта. [15] Набор операций, которые сохраняют заданное свойство объекта , образуют группу .
В общем, каждый вид структуры в математике будет иметь свой собственный вид симметрии. Примерами являются четные и нечетные функции в исчислении , симметричные группы в абстрактной алгебре , симметричные матрицы в линейной алгебре и группы Галуа в теории Галуа . В статистике симметрия также проявляется как симметричные распределения вероятностей и как перекос — асимметрия распределений. [16]
Симметрия в физике была обобщена, чтобы означать инвариантность — то есть отсутствие изменений — при любом виде преобразования, например, произвольных преобразованиях координат . [17] Эта концепция стала одним из самых мощных инструментов теоретической физики , поскольку стало очевидно, что практически все законы природы берут начало в симметриях. Фактически, эта роль вдохновила лауреата Нобелевской премии П. У. Андерсона написать в своей широко известной статье 1972 года More is Different , что «было бы лишь небольшим преувеличением сказать, что физика — это изучение симметрии». [18] См. теорему Нётер (которая в сильно упрощенной форме утверждает, что для каждой непрерывной математической симметрии существует соответствующая сохраняющаяся величина, такая как энергия или импульс; сохраняющийся ток, на оригинальном языке Нётер); [19] а также классификацию Вигнера , которая гласит, что симметрии законов физики определяют свойства частиц, обнаруженных в природе. [20]
Важные симметрии в физике включают непрерывные симметрии и дискретные симметрии пространства -времени ; внутренние симметрии частиц; и суперсимметрию физических теорий.
В биологии понятие симметрии в основном используется явно для описания форм тела. Двусторонние животные , включая людей, более или менее симметричны относительно сагиттальной плоскости , которая делит тело на левую и правую половины. [21] Животные, которые движутся в одном направлении, обязательно имеют верхнюю и нижнюю стороны, головной и хвостовой концы, и, следовательно, левую и правую стороны. Голова становится специализированной с ртом и органами чувств, а тело становится двусторонне симметричным для целей движения, с симметричными парами мышц и скелетных элементов, хотя внутренние органы часто остаются асимметричными. [22]
Растения и сидячие (прикрепленные) животные, такие как морские анемоны , часто имеют радиальную или вращательную симметрию , которая подходит им, поскольку пища или угрозы могут прибывать с любого направления. Пятикратная симметрия обнаружена у иглокожих , группы, которая включает морских звезд , морских ежей и морских лилий . [23]
В биологии понятие симметрии используется также, как и в физике, то есть для описания свойств изучаемых объектов, включая их взаимодействия. Замечательным свойством биологической эволюции являются изменения симметрии, соответствующие появлению новых частей и динамики. [24] [25]
Симметрия важна для химии, поскольку она по существу поддерживает все специфические взаимодействия между молекулами в природе (т. е. посредством взаимодействия природных и созданных человеком хиральных молекул с изначально хиральными биологическими системами). Контроль симметрии молекул , полученных в современном химическом синтезе, способствует способности ученых предлагать терапевтические вмешательства с минимальными побочными эффектами . Строгое понимание симметрии объясняет фундаментальные наблюдения в квантовой химии и в прикладных областях спектроскопии и кристаллографии . Теория и применение симметрии в этих областях физической науки в значительной степени опираются на математическую область теории групп . [26]
Для наблюдателя-человека некоторые типы симметрии более заметны, чем другие, в частности, наиболее заметным является отражение с вертикальной осью, как у человеческого лица. Эрнст Мах сделал это наблюдение в своей книге «Анализ ощущений» (1897), [27] и это подразумевает, что восприятие симметрии не является общей реакцией на все типы закономерностей. Как поведенческие, так и нейрофизиологические исследования подтвердили особую чувствительность к симметрии отражения у людей, а также у других животных. [28] Ранние исследования в рамках гештальт- традиции предполагали, что двусторонняя симметрия была одним из ключевых факторов перцептивной группировки . Это известно как закон симметрии . Роль симметрии в группировке и организации фигуры/фона была подтверждена во многих исследованиях. Например, обнаружение отражательной симметрии происходит быстрее, когда это свойство одного объекта. [29] Исследования человеческого восприятия и психофизики показали, что обнаружение симметрии происходит быстро, эффективно и устойчиво к возмущениям. Например, симметрию можно обнаружить при предъявлении от 100 до 150 миллисекунд. [30]
Более поздние исследования нейровизуализации задокументировали, какие области мозга активны во время восприятия симметрии. Сасаки и др. [31] использовали функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ) для сравнения ответов на паттерны с симметричными или случайными точками. Сильная активность присутствовала в экстрастриарных областях затылочной коры, но не в первичной зрительной коре. Экстрастриарные области включали V3A, V4, V7 и латеральный затылочный комплекс (LOC). Электрофизиологические исследования обнаружили позднюю заднюю негативность, которая исходит из тех же областей. [32] В целом, большая часть зрительной системы, по-видимому, участвует в обработке визуальной симметрии, и эти области включают в себя сети, похожие на те, которые отвечают за обнаружение и распознавание объектов. [33]
Люди наблюдают симметричную природу, часто включающую асимметричный баланс, социальных взаимодействий в различных контекстах. Они включают оценки взаимности , эмпатии , симпатии , извинения , диалога , уважения, справедливости и мести . Рефлексивное равновесие - это баланс, который может быть достигнут посредством обдуманного взаимного регулирования общих принципов и конкретных суждений . [34] Симметричные взаимодействия посылают моральное сообщение «мы все одинаковы», в то время как асимметричные взаимодействия могут посылать сообщение «я особенный; лучше, чем ты». Отношения сверстников, такие как могут регулироваться Золотым правилом , основаны на симметрии, тогда как властные отношения основаны на асимметрии. [35] Симметричные отношения могут в некоторой степени поддерживаться простыми ( теория игр ) стратегиями, наблюдаемыми в симметричных играх, таких как око за око . [36]
Существует список журналов и информационных бюллетеней, которые, как известно, хотя бы частично посвящены симметрии и искусству. [37]
Симметрия находит свое применение в архитектуре на всех уровнях: от общих внешних видов зданий, таких как готические соборы и Белый дом , через планировку отдельных этажей и вплоть до дизайна отдельных элементов здания, таких как мозаика из плитки . Исламские здания, такие как Тадж-Махал и мечеть Лотфоллы, тщательно используют симметрию как в своей структуре, так и в орнаментации. [38] [39] Мавританские здания, такие как Альгамбра, украшены сложными узорами, созданными с использованием трансляционной и отражательной симметрии, а также вращений. [40]
Говорят, что только плохие архитекторы полагаются на «симметричное расположение блоков, масс и структур»; [41] Модернистская архитектура , начиная с интернационального стиля , вместо этого полагается на «крылья и баланс масс». [41]
С самых ранних времен использования гончарных кругов для придания формы глиняным сосудам гончарное дело тесно связано с симметрией. Керамика, созданная с помощью круга, приобретает полную вращательную симметрию в своем поперечном сечении, при этом обеспечивая значительную свободу формы в вертикальном направлении. На этой изначально симметричной отправной точке гончары с древних времен добавляли узоры, которые изменяют вращательную симметрию для достижения визуальных целей.
Литые металлические сосуды не обладали присущей им вращательной симметрией гончарных изделий, изготовленных на круге, но в остальном предоставляли аналогичную возможность украшать свои поверхности узорами, которые нравились тем, кто ими пользовался. Древние китайцы , например, использовали симметричные узоры в своих бронзовых отливках еще в 17 веке до нашей эры. Бронзовые сосуды демонстрировали как двусторонний основной мотив, так и повторяющийся дизайн переведенной границы. [42]
Давняя традиция использования симметрии в узорах ковров и ковровых покрытий охватывает множество культур. Американские индейцы навахо использовали смелые диагонали и прямоугольные мотивы. Многие восточные ковры имеют сложные отраженные центры и границы, которые передают узор. Неудивительно, что прямоугольные ковры обычно имеют симметрию прямоугольника — то есть мотивы , которые отражаются как по горизонтальной, так и по вертикальной осям (см. Klein four-group § Geometry ). [43] [44]
Поскольку лоскутные одеяла изготавливаются из квадратных блоков (обычно по 9, 16 или 25 штук в блоке), а каждый меньший кусок обычно состоит из тканевых треугольников, в этом ремесле легко применять симметрию. [45]
Симметрии появляются в дизайне объектов всех видов. Примерами служат бисерная вышивка , мебель , песчаные картины , узелковая вышивка , маски и музыкальные инструменты . Симметрии занимают центральное место в искусстве М. К. Эшера и во многих приложениях тесселяции в таких видах искусства и ремесла, как обои , керамическая плитка, например, в исламском геометрическом декоре , батик , икат , ковроделие и многие виды текстильных и вышитых узоров. [46]
Симметрия также используется при разработке логотипов. [47] Создавая логотип на сетке и используя теорию симметрии, дизайнеры могут организовать свою работу, создать симметричный или асимметричный дизайн, определить расстояние между буквами, определить, сколько негативного пространства требуется в дизайне, и как подчеркнуть части логотипа, чтобы он выделялся.
Симметрия не ограничивается изобразительным искусством. Ее роль в истории музыки затрагивает многие аспекты создания и восприятия музыки.
Симметрия использовалась в качестве формального ограничения многими композиторами, например, арочная (наплывная) форма (ABCBA), используемая Стивом Райхом , Белой Бартоком и Джеймсом Тенни . В классической музыке Иоганн Себастьян Бах использовал концепции симметрии перестановки и инвариантности. [48]
Симметрия также является важным фактором при формировании гамм и аккордов , поскольку традиционная или тональная музыка состоит из несимметричных групп высот , таких как диатоническая гамма или мажорный аккорд . Симметричные гаммы или аккорды, такие как целотоновая гамма , увеличенный аккорд или уменьшенный септаккорд (уменьшенный-уменьшенный септаккорд), как говорят, лишены направления или чувства движения вперед, неоднозначны относительно тональности или тонального центра и имеют менее специфическую диатоническую функциональность . Однако такие композиторы, как Альбан Берг , Бела Барток и Джордж Перл использовали оси симметрии и/или интервальные циклы аналогичным образом для тональностей или нетональных тональных центров . [49] Джордж Перл объясняет, что «C–E, D–F♯, [и] Eb–G являются различными примерами одного и того же интервала … другой вид идентичности. … имеет отношение к осям симметрии. C–E принадлежит к семейству симметрично связанных диад следующим образом:» [49]
Таким образом, помимо того, что C–E является частью семейства интервал-4, он также является частью семейства сумма-4 (где C равно 0). [49]
Интервальные циклы симметричны и, таким образом, недиатоничны. Однако сегмент из семи высот C5 (цикл квинт, которые энгармоничны с циклом кварт) создаст диатоническую мажорную гамму. Циклические тональные прогрессии в произведениях композиторов -романтиков, таких как Густав Малер и Рихард Вагнер, образуют связь с циклическими тональными последовательностями в атональной музыке модернистов, таких как Барток, Александр Скрябин , Эдгар Варез и Венская школа. В то же время эти прогрессии сигнализируют об окончании тональности. [49] [50]
Первым расширенным сочинением, последовательно основанным на симметричных отношениях высоты тона, вероятно, был Квартет Альбана Берга , соч. 3 (1910). [50]
Ряды тонов или наборы классов высоты тона , которые инвариантны при ретрограде, симметричны по горизонтали, при инверсии — по вертикали. См. также Асимметричный ритм .
Связь симметрии с эстетикой сложна. Люди считают двустороннюю симметрию в лицах физически привлекательной; [51] она указывает на здоровье и генетическую пригодность. [52] [53] Противоположностью этому является тенденция воспринимать чрезмерную симметрию как скучную или неинтересную. Рудольф Арнхейм предположил, что люди предпочитают формы, которые имеют некоторую симметрию и достаточную сложность, чтобы сделать их интересными. [54]
Симметрия может быть найдена в различных формах в литературе , простым примером является палиндром , где краткий текст читается одинаково как вперед, так и назад. Истории могут иметь симметричную структуру, например, модель подъема и падения Беовульфа . [55]
«Отправной точкой для этой конструкции послужило простое утверждение, которое я когда-то прочитал (и которое не обязательно отражает мои личные взгляды): «Только плохой архитектор полагается на симметрию; вместо симметричного расположения блоков, масс и конструкций модернистская архитектура полагается на крылья и баланс масс».