Зеркальный мир
Крупный ученый из ГДР в живой и увлекательной форме знакомит читателей с одним из фундаментальных понятий современного естествознания - симметрией. Рассматриваются ее основные виды, проявления в природе и использование в науке, технике и повседневной жизни. Для широкого круга читателей.
Вернер Гильде
Перевод с немецкого канд. геол. -мин. наук Т. Б. Здорик и канд. геол.-мин. наук Л. Г. Фельдмана
под редакцией д-ра геол.-мин. наук проф. И. И. Шафрановского
МОСКВА "МИР" 1982
WERNER GILDE
GESPIEGELTE WELT
VEB FACHBUCHVERLAG LEIPZIG 1979
ОТ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Нарядная, богато иллюстрированная книга с интригующим названием «Зеркальный мир» не может не привлечь внимания читателей. Автор ее, профессор Вернер Гильде, - видный ученый ГДР, специалист в области сварочной техники - широко известен и как талантливый популяризатор науки. Советскому читателю он знаком по книгам «Нужны идеи» и «С микрокалькулятором в руках» (Гильде В., Штарке К.-Д. Нужны идеи. -М.: Мир, 1973. Гильде В., Альтрихтер С. С микрокалькулятором в руках. -М.: Мир, 1980).
В настоящей книге в занимательной и остроумной форме затронуты глубочайшие вопросы современного естествознания. О широте темы сам автор сказал, что диапазон величин, с которыми мы встречаемся в книге, определяется числом с сорока нулями- от 15~15 до 1025 см. Добиваясь наглядности изложения, В. Гильде перемежает рассмотрение сложнейших вопросов (строение материи, загадки Вселенной) забавными рассказами из истории, литературы, техники, спорта и даже детских игр. Уже беглый просмотр оглавления позволяет судить об особенностях авторского стиля: здесь мы обнаружим и «Математику для продавца фруктов», и «Бильярд в космосе», и «Правшу-попугая», и утверждение, что одинаковых яиц не бывает. Однако кажущиеся пестрота и разнообразие тем подчинены строго обдуманному плану. Лейтмотивом всей книги является понятие симметрии, играющей ведущую, хотя и не всегда осознанную, роль в современной науке, искусстве, технике и окружающей нас жизни. Симметрия пронизывает буквально все вокруг, захватывая, казалось бы, совершенно неожиданные области и объекты. Здесь уместно привести высказывание Дж. Ньюмена, который особенно удачно подчеркнул всеохватывающие и вездесущие проявления симметрии: «Симметрия устанавливает забавное и удивительное сродство между предметами, явлениями и теориями, внешне, казалось бы, ничем не связанными: земным магнетизмом, женской вуалью, поляризованным светом, естественным отбором, теорией групп, инвариантами и преобразованиями, рабочими привычками пчел в улье, строением пространства, рисунками ваз, квантовой физикой, скарабеями, лепестками цветов, интерференционной картиной рентгеновских лучей, делением клеток морских ежей, равновесными конфигурациями кристаллов, романскими соборами, снежинками, музыкой, теорией относительности...» (Джаффе Г., Орчин М. Симметрия в химии. - М.: Мир, 1967, с. 14)
Книга В. Гильде, по сути дела, представляет собой широко развернутую иллюстрацию к приведенной цитате. Однако охватить учение о симметрии целиком в научно-популярном очерке невозможно. Поэтому автор заострил внимание на зеркальной симметрии. Такой подход вполне правомерен. Достаточно взглянуть на окружающий нас реальный мир, чтобы убедиться в первостепенном значении именно зеркальной симметрии с соответствующим симметрийным элементом - плоскостью симметрии. В самом деле, форма всех объектов, которые двигаются по земной поверхности или возле нее - шагают, плывут, летят, катятся, - обладает, как правило, одной более или менее хорошо выраженной плоскостью симметрии. Все то, что развивается или движется лишь в вертикальном направлении, характеризуется симметрией конуса, то есть имеет множество плоскостей симметрии, пересекающихся вдоль вертикальной оси. И то и другое объясняется действием силы земного тяготения, симметрия которого моделируется конусом (П. Кюри). Главенствующую роль в теории играет плоскость симметрии. Недаром знаменитый русский кристаллограф Г. В. Вульф (1863-1925) писал (1896) о плоскости симметрии как об «основном элементе симметрии». Комбинируя зеркальные отражения, можно вывести все возможные симметрийные операции. (Теорема А. К. Болдырева: максимальное число необходимых для этого плоскостей сводится к четырем; в частных случаях бывает достаточно и меньшего их числа.) Исходя из этих комбинаций, можно полностью вывести все элементы классической симметрии - простые, сложные и винтовые оси, плоскости простого и скользящего отражения, трансляции. Совокупности таких элементов образуют виды симметрии (например, 32 класса для кристаллических многогранников, 230 пространственных групп для кристаллических структур). Как видим, именно плоскость симметрии лежит в основании всего величественного здания симметрийной теории.
Итак, В. Гильде безусловно прав, обращая внимание в первую очередь на зеркальную симметрию и соответствующий геометрический образ - плоскость симметрии. Его книга очень незаметно вводит нас в сложный мир современной науки с действующими в ней симметрийными законами. Хочется надеяться, что, пройдя эти «врата учености», читатель, увлекшись, захочет углубиться в строго математическое и вместе с тем волшебно прекрасное царство симметрии.
Законы классической симметрии не случайно связаны с именами выдающихся ученых Р. Ж. Гаюи, О. Браве, П. Кюри, И. Ф. X. Гесселя, П. Грота, А. Шенфлиса, в том числе наших соотечественников - А. В. Гадолина, Г. В. Вульфа и гордости отечественной науки- Е. С. Федорова (1853-1919). Исследователями кристаллов внесен наиболее весомый вклад в учение о симметрии. Однако теория шагает все дальше. Известный советский геолог - академик Д. В. Наливкин, изучая палеонтологические объекты, установил для них законы «криволинейной симметрии» с изогнутыми зеркальными плоскостями и осями симметрии. Выдающийся советский кристаллограф академик А. В. Шубников (1887-1970) приписал положительный и отрицательный знаки отдельным фрагментам фигур и ввел операции симметрии, меняющие знак фрагментов («антисимметрия»), а также операцию изменения величины объекта («симметрия подобия»). Академик Н. В. Белов, профессор А. М. Заморзаев и их ученики и последователи основали «цветную симметрию», изменяющую при отражениях в плоскостях или при поворотах вокруг осей цвета фигур. Эти, казалось бы, совершенно фантастические построения ученых находят свое применение при истолковании и уточнении множества физических явлений. Для тех, кто захочет ознакомиться с новейшими открытиями в области симметрии, библиография автора дополнена рядом книг на русском языке.
В заключение хочется выразить надежду, что книга В. Гильде поможет читателю войти в чудесный мир симметрийных законов.
Профессор И. И. Шафрановский, заслуженный деятель науки РСФСР
ПРЕДИСЛОВИЕ
Пока писалась эта книга, мы все - моя жена, сотрудники и я сам - были одержимы симметрией. В окружающих предметах, картинах, животных и растениях нас интересовало главным образом, симметричны ли они или нет, а если симметричны, то в чем именно проявляется в них симметрия. Если кто-то считал, что его соображения могут пойти на пользу задуманной мною книге, то он в устной или письменной форме делился со мной своими мыслями. Всех, оказавших мне помощь, я хотел бы искренне поблагодарить.
Приступая к работе над рукописью, я никак не предполагал, что объем материала окажется столь грандиозным. Герману Вейлю для его знаменитой «Симметрии» понадобилось всего 150 страниц небольшого формата. Но изложение математика, рассчитанное на подготовленную аудиторию, может быть необычайно сжатым и в то же время весьма емким. А научно-популярная книга, подобная той, что предлагается вниманию читателя, своего рода компромисс. Она должна быть одновременно и достаточно занимательной, и достаточно научной; рассчитанная на широкий круг читателей, она не может не отвечать и ряду других дополнительных условий, удовлетворяющих и автора, и редактора, и издательство.