Bevaringslov

en fysisk lov om, at de numeriske værdier for en eller anden fysisk mængde ikke varierer med tiden i nogen proces eller i en bestemt klasse af processer. En komplet beskrivelse af et fysisk system er kun muligt inden for rammerne af dynamiske love, der i detaljer definerer udviklingen af et system med tiden. I mange tilfælde er den dynamiske lov for et givet system imidlertid ukendt eller for kompliceret. I en sådan situation tillader bevaringslove nogle konklusioner med hensyn til karakteren af systemets adfærd. De vigtigste bevaringslove er lovene om bevarelse af energi, momentum, vinkelmoment og elektrisk ladning. Disse love gælder for alle isolerede systemer. Ud over universelle bevaringslove findes der bevaringslove, der kun gælder for begrænsede klasser af systemer og fænomener.

ideen om bevarelse optrådte oprindeligt som en rent filosofisk formodning om eksistensen af noget uforanderligt og stabilt i en evigt skiftende verden. De gamle materialistiske filosoffer Anaksagoras, Empedocles, Democritus, Epicurus og Lucretius nåede frem til begrebet materie som det uforgængelige og ubrydelige grundlag for alt, hvad der eksisterer. På den anden side bragte observationen af kontinuerlige ændringer i naturen Thales, Anaksimander, Anaksimener, Heraclitus af Efesos, Leu-cippus og Democritus til den konklusion, at materiens vigtigste egenskab er, at materien altid er i bevægelse. Med udviklingen af den matematiske formulering af mekanik optrådte to love på dette fundament: loven om bevarelse af masse, fremsat af M. V. Lomonosov og A. Lavoisier, og loven om bevarelse af mekanisk energi, fremført af G. von Leibnis. J. R. von Mayer, J. Joule og H. von Helmholts opdagede efterfølgende eksperimentelt loven om bevarelse af energi i ikke-mekaniske fænomener. I midten af det 19.århundrede havde lovene om bevarelse af masse og energi, der blev fortolket som bevarelse af stof og bevægelse, taget form.

i begyndelsen af det 20.århundrede bragte udviklingen af den specielle relativitetsteori imidlertid en grundlæggende genovervejelse af disse bevaringslove (seerelativitet, teori om). Den særlige relativitetsteori erstattede klassisk, Nytonisk mekanik i beskrivelsen af bevægelse ved høje hastigheder, der kan sammenlignes med lysets hastighed. Masse, som bestemt ud fra et legems inertielle egenskaber, viste sig at afhænge af kroppens hastighed. Følgelig karakteriserer massen ikke kun mængden af stof, men også dens bevægelse. På den anden side gennemgik begrebet energi også en ændring: ifølge Einsteins berømte ligning E = mc2 er den samlede energi E proportional med massen m; her er c lysets hastighed. Således Forenede loven om bevarelse af energi i den specielle relativitetsteori lovene om bevarelse af masse og energi, der havde eksisteret i klassisk mekanik. Når lovene om bevarelse af masse og energi betragtes separat, er de ikke opfyldt—det vil sige, at mængden af stof ikke kan karakteriseres uden at tage hensyn til dens bevægelse.

udviklingen af loven om bevarelse af energi viser, at da bevaringslove er hentet fra erfaring, kræver de eksperimentel verifikation og forfining fra tid til anden. Man kan ikke være sikker på, at en given lov eller den specifikke Erklæring om en lov forbliver gyldig for evigt, uanset stigningen i menneskelig oplevelse. Loven om bevarelse af energi er også interessant, fordi fysik og filosofi er meget tæt sammenvævet i den. Da Loven blev raffineret, blev den gradvist omdannet fra en vag og abstrakt filosofisk erklæring til en nøjagtig kvantitativ formel. På den anden side optrådte nogle bevaringslove direkte i en kvantitativ form. Sådanne love inkluderer lovene om bevarelse af momentum, vinkelmoment og elektrisk ladning og adskillige bevaringslove i teorien om elementære partikler. Bevaringslove er en væsentlig del af moderne fysik.

en vigtig rolle spilles af bevaringslove i kvanteteori, især i teorien om elementære partikler. For eksempel bestemmer bevaringslove udvælgelsesregler, ifølge hvilke elementære partikelreaktioner, der ville krænke en bevaringslov, ikke kan forekomme i naturen. Ud over bevaringslove, der også holder i fysikken i makroskopiske kroppe (bevarelse af energi, momentum, vinkelmoment og elektrisk ladning), har mange specifikke bevaringslove vist sig i elementær partikelteori, der tillader forklaring af eksperimentelt observerede udvælgelsesregler. Eksempler er lovene om bevarelse af baryon nummer og lepton nummer; disse love er nøjagtige—det vil sige, de holder i alle typer interaktioner og i alle processer. Ud over nøjagtige bevaringslove findes der også omtrentlige bevaringslove, som er opfyldt i nogle processer og krænket i andre, i teorien om elementære partikler. Sådanne omtrentlige bevaringslove har betydning, hvis klassen af processer og fænomener, hvor de er tilfredse, kan angives præcist. Eksempler på omtrentlige bevaringslove er lovene om bevarelse af fremmedhed (eller af hypercharge), iso-emne spin (seisotopisk INVARIANCE) og paritet. Disse love er strengt opfyldt i stærke interaktionsprocesser, som har en karakteristisk tid på 10-23-10-24 sek, men overtrædes i svage interaktionsprocesser, hvis karakteristiske tid er cirka 10″10 sek. elektromagnetiske interaktioner overtræder loven om bevarelse af isotopisk spin. Undersøgelser af elementære partikler har således endnu en gang vist nødvendigheden af at verificere eksisterende bevaringslove inden for alle fænomener.

Bevaringslove er tæt knyttet til symmetriegenskaberne i fysiske systemer. Her forstås symmetri som invariansen af fysiske love med hensyn til visse transformationer af de mængder, der er involveret i formuleringen af disse love. For et givet system betyder eksistensen af en symmetri, at der findes en konserveret fysisk mængde (SEENOETHERS sætning). Således, hvis et systems symmetriegenskaber er kendt, kan der findes bevaringslove for det og omvendt.

som nævnt ovenfor er lovene om bevarelse af de mekaniske mængder energi, momentum og vinkelmoment universelle. Årsagen til denne omstændighed er, at de tilsvarende symmetrier kan betragtes som symmetrier i rumtiden (universet), hvor materielle kroppe bevæger sig. Således følger bevarelsen af energi fra tidens homogenitet—det vil sige fra invariansen af fysiske love under en ændring i oprindelsen af tidskoordinaten (oversættelser af tid). Bevarelsen af momentum og bevarelsen af vinkelmoment følger henholdsvis fra homogeniteten af rummet (invariance under oversættelser af rummet) og fra isotropien af rummet (invariance under rotationer af rummet). Derfor udgør en verifikation af mekaniske bevaringslove en verifikation af de tilsvarende grundlæggende egenskaber ved rumtid. Det blev længe antaget, at ud over de symmetrier, der er anført ovenfor, har rumtid refleksionssymmetri-det vil sige, det er uforanderligt under ruminversion. Rumparitet skal derefter bevares. I 1957 blev imidlertid ikke-bevarelse af paritet eksperimentelt påvist i svage interaktioner. Endnu en gang måtte troen på de underliggende egenskaber ved universets geometri undersøges igen.

udviklingen af gravitationsteorien vil tilsyneladende nødvendiggøre en yderligere revurdering af synspunkter om rumtids symmetri og om grundlæggende bevaringslove, især lovene om bevarelse af energi og momentum.