СИММЕТРИЯ ФОРМ
Многообразие природных форм вызывает необходимость построения их единого алфавита. Е. С. Федоров (1901) установил, что число возможных форм равно 230. Его работы послужили мощным импульсом к изучению конфигураций тел во всех науках. Однако анализ форм вообще, в отрыве от вещественного состава, носит абстрактный характер. Внимание привлекают работы, в которых обнаруживаются связи между формами и веществом. Так, О. М. Калинин получил проективное многообразие, расширяющее группу Федорова до 273, связав это число с изотопным составом химических элементов.
Почвоведы, геологи и географы используют теорию формообразования, основные положения которой базируются на элементах и операциях симметрии. С их помощью строятся полигональные, криволинейные и ветвящиеся формы почвенных тел разных уровней организации. Поэтому поиск связи форм с элементами и операциями симметрии для почвоведения имеет особое значение.
Понятия симметрии можно применять не только к идеально правильным фигурам, но и ко всем объектам природы, которая не создает ничего абсолютно точного. Даже кристаллы на самом деле деформированы, искривлены. «Если присмотреться повнимательнее, то можно заметить, что ни одну разновидность симметрии вокруг нас нельзя считать точной. Идеальная симметрия существует только в нашем воображении» (Узоры симметрии, 1980).
Человеческое зрение отмечает отклонения от идеальной формы, а мысль восстанавливает искаженное до правильной фигуры, поэтому трудно перейти от конкретного полевого описания к абстракции — теоретическому обобщению. Этот переход помогает совершить симметрия, которую «можно обнаружить везде, если знать, как ее искать… стоит лишь нам постичь, что такое симметрия, как мы начинаем обнаруживать ее повсюду» (Узоры симметрии, 1980, с. 13). Действительно, лишь однажды увидев чудесный мир упорядоченных почвенных структур, невозможно отказаться от стремления познать его, найти ему математический аналог.
Н. П. Херасков (1965) различал геологические формации по степени приближения их к идеальным фигурам: к трехмерным — шару, эллипсоиду, октаэдру, конусу, параллелепипеду; к двумерным — окружности, эллипсу, ромбу; к одномерным — прямой, изогнутой линиям [цит. по: (Васильев, 1974)].
И. И. Шафрановский (1968) классифицирует формы рельефа с помощью элементов симметрии: точки, оси, плоскости, относительно которых проводятся движения: вращения, отражения, перестановки, сжатия (см. рис. 15, Г). Так, купол земной коры (а) имеет симметрию конуса L∞∞P, т. е. включает бесконечное число осей и плоскостей; вал (б) — одну плоскость Р, которая делит форму на две зеркально равные части; сундучное поднятие (в) — поворотную ось второго порядка L2 и две плоскости Р, что и записывается символами L22Р.
Развивая идеи И. И. Шафрановского, мы предлагаем классифицировать почвенные формы с помощью элементов и операций симметрии — вспомогательных геометрических образов, а именно: вращения — образ в виде оси L, вокруг которой поворачивается почвенная фигура, а также в виде инверсионной оси L2, когда поворот сопровождается сдвигом; зеркального отражения — образ в виде плоскости Р; трансляции, перестановки с места на место — образ в виде оси Т, вдоль которой перемещается фигура; уравновешивания, центровки — образ в виде точки С, расположенной в центре фигуры.
Между элементами: осями, плоскостями, точками — существуют связи, которые позволяют упростить представления теории симметрии. Оказывается, центр С и плоскость Р — это лишь частные случаи инверсионных осей. Так, центр С можно рассматривать как инверсионную ось первого порядка, т. е. L12 = C, а плоскость Р — как ось второго порядка, т. е. L12= Р. Поэтому простые L и инверсионные L1 оси с порядком от единицы до бесконечности полностью исчерпывают все возможные элементы симметрии конечных почвенных фигур: L1, L2, L3, L4, L5,…., L∞, L11= C, L12= P, L13, L14, L15…., L1oo.
КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ФОРМЫ
Рис. 17. Криволинейные формы земной поверхности и почвенного покрова
а — спирали геологических структур, б — лемнискаты пойм равнинных рек, в — овалы болот, г — пермские отложения, б — арктические почвы
С древних времен округлость приписывали живой природе, а угловатость — мертвой. Согласно Гегелю, формы живого суть модификации волны, или линии красоты, а неживого — полигона с равными углами, где все определяется движением по принципу тождества. Проблема форм остается спорной: овальную или многоугольную конфигурацию имеют тела Вселенной? По Б. Л. Личкову (1960), мягкоконтурность увеличивается от меньшего к большему при переходе пространства из одного состояния в другое. Угловатость велика у метеоритов, меньше у астероидов и ничтожна у планет. Ю. К. Ефремов (1949) считал полигональность рельефа законом, а округлость — его частным случаем. К. А. Салищев (1982) выделяет плавность рисунка горизонталей на равнинах и угловатость в горах.
Почвы — продукт порождения форм живого (биологического) и неживого (геологического), поэтому почвенные фигуру синтезируют и те и другие линии. Биологические волны жизни, разбиваясь о полигоны горных пород, создают самостоятельное природное тело — почвенный покров. В нем сочетаются вновь образованные «линии красоты», отражающие суммирование специфику живого и неживого. Почвоведы удобно разместили свои наблюдательные посты на всех уровнях — от атомов до ландшафтов по демаркационной линии «горные породы — биологические объекты» и вносят существенный вклад в проблему взаимодействия форм.
Криволинейная симметрия впервые описана академиком Д. В. Наливкиным (1951) для случаев, когда прямолинейные элементы симметрии заменяются их криволинейными аналогами — изогнутыми плоскостями и осями.
Разнообразие криволинейных почвенных форм конечно. Среди них находим спирали (рис. 17, а, Ришад, Африка, «Джеминай-4». Цит. по: Аэрометоды…, 1971), лемнискаты пойм равнинных рек (рис. 17, б, Богомолов, 1958), овалы болот (рис. 17, в) и пермских отложений Казахстана (рис. 17, а, Аэрометоды…, 1971), окружности арктических почв (рис. 17, д, Виленский, 1957).
Криволинейные формы имеют размеры от метра (д) до десятков метров (б, в, а) и сотен (а) километров (см. рис. 17). Они часто состоят из полигонов, «свернутых» в спираль, подобную логарифмической. Последняя — единственная кривая, дуги которой всегда тождественны одна другой, т. е. при увеличении размеров они сохраняют свою форму. Спираль — инварианта всех криволинейных фигур почвенного покрова. Она символизирует жизнь. Соответствие почвенных спиралей геометрическим доказывает, что почвенное формообразование подчиняется математическим законам и связано с прямолинейной и криволинейной эволюцией форм почвенного покрова. Спираль имеет постоянное отношение между радиусами, равное 1,618… Это число, называемое «золотым сечением», объединяет на плоскости криволинейное и полигональное в единое целое, свидетельствуя о существовании в природе всеобщей пропорциональности. Последняя проявилась в архитектурной гармонии почвенного покрова (см. рис. 16).