С теорией элементарных частиц, типами взаимодействия полей и попыткой введения единого поля связаны еще два вида симметрии: кварк-лептонной и калибровочной. Кварк-лептонная симметрия проявляется в единой теории поля. Считается, что по существу кварки и лептоны не различимы в области очень больших энергий. Но, в случае спонтанного нарушения симметрии и в области низких энергий, они приобретают совершенно различные свойства. Тем самым установлено, что между кварками и лептонами возможны переходы. Этот факт может служить еще одним убедительным доказательством единства природы. Калибровочная симметрия связана с масштабными преобразованиями, представляющими сдвиги нулевых уровней скалярного и векторного потенциалов полей. Сам термин «калибровочное поле» (преобразование, инвариантность) выдвинул немецкий математик Г. Вейль. Смысл идеи состоит в том, что физические законы не должны зависеть от масштаба длины, выбранного в пространстве, и не должны изменять свой вид при замене этого масштаба на любой другой. С обычной логикой это вроде бы самоочевидно: почему действительно законы Ньютона будут другими, если мы будем измерять путь в метрах, сантиметрах или в мегапарсеках. Однако значение изменения масштаба состоит в том, что оно имеет принципиально нефизический характер, так как вызвано не какими-либо физическими воздействиями, а геометрическими, в частности, изменение длины обусловлено лишь особенностями структуры пространства-времени. Тем самым пространство-время перестает быть лишь пассивным резервуаром вещества и поля, где происходят физические процессы, оно само начинает активно влиять на эти процессы. Геометрия приобретает динамический характер. Можно добавить, что она влияет и на энергетику физического и биологического объекта. Это ярко проявляется при делении овоидов Кассини. Об этом интересном явлении будет подробно рассказано в следующей главе.

Особое значение приобретает принцип калибровочной инвариантности, если преобразования приходят локально в каждой точке пространства-времени и неоднородно, то есть с изменяющимся соотношением от точки к точке. Вот это преобразование Г. Вейль и назвал масштабным, или калибровочным. Его формулировка звучит так: все физические законы инвариантны относительно произвольных (однородных и неоднородных) локальных калибровочных преобразований. В таком виде принцип Вейля является по существу развитием общего принципа относительности Эйнштейна, что все физические законы в любой системе отсчета (инерциальной и неинерциальной) должны иметь одинаковый вид. Уместно в связи с этим заметить, что теория Эйнштейна была первой теорией, в которой геометрический фактор (искривление пространства-времени) напрямую связывался с физической характеристикой (гравитационной массой), что послужило в настоящее время дальнейшему развитию идей геометродинамики. Эти преобразования масштаба оставляют силовые характеристики поля (например Е и В для электромагнитного поля) неизменными. На основе калибровочной симметрии построены теории электрослабого и электросильного взаимодействий. Из этой симметрии следует, что частицы, обладающие определенными свойствами, которые объединяются понятиями «заряда» (электрический, барионный, лептонный), «цвета» кварков, являются источниками полей, если хотите, материальными носителями этих полей. Теория сильных взаимодействий, опирающаяся на представление о цветовых зарядах, получила название квантовой хромодинамики. Эта теория практически завершена для малых расстояний между кварками, но для больших расстояний еще имеются трудности. Тем не менее, применение принципов глобальной и локальной унитарной симметрии способствовало существенному продвижению в области классификации адронов и описания сильных взаимодействий. Вместе с тем на этом пути имеется еще ряд проблем.

Для классификации и описания взаимодействий, наиболее тяжелых и короткоживущих адронов (так называемых резонансов) потребовалось ввести еще три кварка, получивших названия c,b,t. Вместе с лептонами кварки образуют три поколения элементарных частиц, аналогично следует разбить и античастицы. Имеется теоретическое обоснование того, что число поколений должно исчерпываться тремя. Эти повторения поколений представляют собой главную загадку физики элементарных частиц. Возможно, они вновь указывают на составной характер этих частиц и на новую, более глубокую симметрию, уходящую корнями в динамическую симметрию вакуума.

Вопросы симметрии играют решающую роль в современной физике. Динамические законы природы характеризуются определенными видами симметрии. Эти принципы относятся к законам природы так же, как законы природы относятся к явлениям, то есть симметрия «управляет» законами, а законы «управляют» явлениями. Если бы не было, например, инвариантности законов природы относительно смещений в пространстве и времени, то вряд ли наука вообще смогла бы устанавливать эти законы. В общем смысле под симметрией физических законов подразумевают их инвариантность по отношению к определенным преобразованиям. Необходимо также отметить, что рассмотренные типы симметрий имеют, естественно, определенные границы применимости. Например, симметрия правого и левого существует только в области сильных электромагнитных взаимодействий, но нарушается при слабых. Это положение говорит нам о двух вещах: на уровне тканей правой и левой половин тела существуют сильные электромагнитные поля, а ближе к оси симметрии и в клетках – слабые. Изотопическая инвариантность справедлива только при учете электромагнитных сил. Для применения понятия симметрии в физике можно ввести некую структуру, учитывающую четыре фактора.

1. Объект или явление, которое исследуется.

2. Преобразование, по отношению к которому рассматривается симметрия.

3. Инвариантность каких-либо свойств объекта или явления, выражающая рассматриваемую симметрию. Связь симметрии физических законов с законами сохранения.

4. Границы применимости различных видов симметрии.

Заметим также, что изучение симметричных свойств физических систем или законов требует привлечения специального математического анализа, в первую очередь представлений теории групп, наиболее развитой в настоящее время в физике твердого тела и кристаллографии. Раньше мы уже говорили об инверсионной симметрии. Но обладают ли такой симметрией физические законы? Долгое время считалось, что обладают, пока опыты китаянки Цзяньсюн Ву (США) по изучению -распада ориентированных в магнитном поле ядер кобальта 60Co, проведенные в 1957 г., не показали, что на слабые взаимодействия инверсионная симметрия не распространяется. Однако для большинства физических законов инверсионная симметрия соблюдается. Подчеркнем следующее важное обстоятельство. Если какое-либо уравнение инвариантно относительно определенных операций симметрии, то это не означает, что все его решения обладают такой же симметрией (хотя для части решений это возможно). Дело в том, что на формирование решений влияют еще начальные и граничные условия. Например, несмотря на то, что гравитационное поле Солнца можно считать сферически симметричным, планеты движутся вокруг Солнца не по круговым, а по эллиптическим траекториям. Другой пример – кристалл инвариантный при дискретных трансляциях (кратных постоянных решетки), хотя электрические силы, действующие между его атомами, не меняются при любых смещениях кристалла в целом. Симметрия материальных структур, образуемых за счет фундаментальных взаимодействий, может быть намного ниже, чем симметрия последних. Учитывая это, можно говорить о структурной симметрии материальных объектов. Априорное определение возможных видов симметрии устойчивых материальных структур часто представляет собой трудную проблему. В целом же из законов сохранения, которые, как мы уже поняли, являются следствием пространственно-временной симметрии законов самой природы, следует условность разделения физики на механику, термодинамику, электродинамику и т. д. и, следовательно, налицо неразрывность единства всей природы.

Рассмотрим идеи симметрии-асимметрии применительно к проблемам объектов живой и неживой природы. По существу, это философский, если хотите, но с естественнонаучной точки зрения вопрос о возникновении, развитии и сущности жизни. Чем отличаются молекулы живых веществ от неживых? В какой-то мере это связано с симметрией, точнее зеркальной симметрией. Если рассмотреть пример зеркального изображения двух молекул неорганического вещества воды и органического, но «неживого» вещества – бутилового спирта, то принципиальное различие проявляется в том, что молекула Н2О зеркально симметрична, а молекула спирта зеркально асимметрична. «Левая» и «правая» молекулы не совпадают как левая и правая рука человека. Как теперь мы знаем, в природе хиральностью обладают и «живые», и «неживые» молекулы, но «живые» всегда только хиральны. Причем «неживые» хиральные молекулы равновероятно встречаем и в левом, и в правом варианте, а «живые» – только или в левом, или в правом. В этом смысле молекулы живых организмов хирально чисты. Так, ориентация ДНК-спирали всегда правая. Основополагающим признаком возникновения и развития жизни и является способность живых организмов извлекать и конструировать из симметричных и хирально нечистых молекул окружающей среды хирально чистые молекулы, необходимые для живого организма. Примером может служить извлечение растениями из симметричных молекул воды и углекислого газа в процессе фотосинтеза асимметричных молекул крахмала и сахара. Наряду с другими питательными веществами эти молекулы поступают в пище живых организмов и из них образуются уже хирально чистые молекулы. То есть живое выступает в качестве фабрики по изготовлению разных видов асимметрии, а в общем диссимметрии из любого вида симметрии. Это своего рода пространственный преобразователь, или пространственная дыра с отрицательной энтропией… Живой организм очень напоминает кавитационный пузырь, только вместо жидкости основную роль в его появлении играет пространство… В общем смысле мы можем считать, что и возникновение жизни в целом связано со спонтанным нарушением имевшейся до того в природе зеркальной симметрии. Этот процесс, по существу, также является процессом самоорганизации. В какой-то точке бифуркации и произошел самоорганизующий акт возникновения уже живой материи.

Уместно теперь связать симметрию с энтропией живых организмов. Переход вещества на более высокую степень организации, упорядоченности, как мы уже отмечали, снижает энтропию как меру хаотичности. Но наибольшей симметрией обладает как раз равновесное хаотическое состояние. Значит, уменьшение энтропии неизбежно приводит к снижению уровня симметрии. Чем выше уровень организации живой материи, тем меньше энтропия и симметрия. На примере эволюции видов это проявляется достаточно ясно. Человек обладатель самой низкой симметрии, является самым высокоорганизованным существом на Земле. Нарушение этого фундаментального закона ведет к развитию рака. В раковой опухоли появляются признаки выраженной кубической симметрии и как следствие, непозволительное увеличение энтропии. Это выглядит как «тяготение» его клеток и тканей к неживой природе. Для снижения энтропии живым организмам, как открытым системам, обменивающихся энергией и материей (пища и отправления) с окружающей средой, необходима энергия, причем значительная, которая, как мы увидим далее, вырабатывается в соответствующих частях клеток (митохондриях) живых организмов за счет пищи, то есть поглощения энергии внешней среды (Солнца и биосферы). Можно образно сказать, что мы забираем от природы более организованную структурированную материю, обладающую меньшей энтропией, то есть подпитываем себя негэнтропией (отрицательной энтропией), а отдаем ей неструктурированную материю, обладающую большей энтропией. «Питаемся», так сказать, с энергетической физической точки зрения отрицательной энтропией, а отдаем положительную энтропию. Поэтому утверждение, что жизнь – это сбалансированный, переходный продукт между энергией, материей и пространством, не лишен смысла. И когда в естественных условиях этот баланс нарушается, то наступает некоторое динамическое равновесие. Обмен энтропией между человеком и окружающей средой стабилизируется, энтропия системы человек – окружающая среда возрастает, в результате чего живой организм гибнет (энтропия его возросла). Поэтому биологическая смерть организма – это рост энтропии до ее уровня в окружающей среде. Раковая опухоль ведет себя так агрессивно, потому что уровень ее энтропии равен или выше, чем у окружающей среды. Отсюда вывод: лечить раковую опухоль надо только одним, снизить ее энтропию до уровня энтропии нормальных тканей. Добиться этого можно только убив энергетические станции клеток, митохондрии, и восстановив фолдинг протеинов… Повышение же энергетического потенциала в живом организме при «нормальном» обмене энтропией его с окружающей средой увеличивает химическую активность клеток и дает возможность самовоспроизведения и развития. Можно сказать, что по мере усложнения в ходе развития жизни асимметрия все больше и больше превалирует над симметрией, вытесняя ее из биохимических и физиологических процессов. Однако и здесь имеет место динамический процесс: симметрия и асимметрия в функционировании живых организмов взаимосвязаны.

Внешне человек и животные симметричны, однако их внутреннее строение асимметрично на разных уровнях тканей органов и систем. Если у низших биологических объектов, например, низших растений, размножение идет симметрично, то у высших имеет место явная асимметрия – разделение полов, где каждый пол вносит в процесс самовоспроизведения свойственную только ему генетическую информацию. Устойчивое сохранение наследственности есть проявление в известном смысле симметрии, а в изменчивости проявляется асимметрия. У раковых клеток и тканей преобладает симметрия, как у представителей растений, что по многим показателям роднит их. В целом же глубокая внутренняя связь симметрии и асимметрии в живой природе обусловливает ее возникновение, существование и развитие. Таким образом, теоретики, обращаясь к начальным стадиям развития Вселенной, рассматривают все более симметричные варианты квантовой теории поля, однако каждый свой шаг им приходится сопровождать предположением о спонтанном нарушении этой симметрии в развивающемся мире. Иначе говоря, по мере остывания Вселенной, возникшей, вероятно, с очень высокой степенью симметрии, происходило быстрое ее понижение с переходом высших типов в скрытую форму. Энтропия ее также претерпевала подобные изменения… Причины этого явления остаются неясными. Указывает ли это на несовершенство самого мира или на несовершенство наших знаний о мире? На этот вопрос наука ответа пока не дает. Удивительной чертой многих видов симметрии является их весьма абстрактно-математический характер. Их описание и использование требует знания высших разделов математики и, прежде всего, методов теории представлений непрерывных групп. Еще Ю. Вигнер отмечал непостижимую эффективность математики при описании явлений природы. Можно много еще что рассказать о симметрии относительно обращения времени, классификации электронных и колебательных состояний молекул и кристаллов, описании фазовых переходов в кристаллах. В основе своей мир устроен по законам математики, симметрии, красоты, но причины этого нам неизвестны. Создается впечатление и в общем все выглядит так, будто нас кто-то водит за нос… Поэтому пока нас не «увели» совсем в другую сторону, можно задаться вопросом, есть ли другие виды симметрии и связанные с ними законы сохранения. В чем состоит глубокое значение законов сохранения электрического заряда, лептонного и барионного чисел, странностей, изотопического спина и т. д.? Как это связано со свойствами абстрактного пространства? В чем смысл наличия «черных дыр» как неких «пропускных пунктов» из нашего пространства, мира в другой антимир? К сожалению, пока на эти вопросы мы ответа не имеем, хотя и хорошо, что современная наука дает возможность их задавать.