Ley de conservación

una ley física que establece que los valores numéricos de alguna cantidad física no varían con el tiempo en ningún proceso o en una determinada clase de procesos. Una descripción completa de un sistema físico solo es posible dentro del marco de leyes dinámicas que definen en detalle la evolución de un sistema con el tiempo. En muchos casos, sin embargo, la ley dinámica de un sistema determinado es desconocida o demasiado complicada. En tal situación, las leyes de conservación permiten extraer algunas conclusiones sobre el carácter del comportamiento del sistema. Las leyes de conservación más importantes son las leyes de conservación de energía, momento, momento angular y carga eléctrica. Estas leyes son válidas para cualquier sistema aislado. Además de las leyes de conservación universales, existen leyes de conservación que solo se aplican a clases limitadas de sistemas y fenómenos.

La idea de la conservación apareció originalmente como una conjetura puramente filosófica sobre la existencia de algo inmutable y estable en un mundo en constante cambio. Los antiguos filósofos materialistas Anaxágoras, Empédocles, Demócrito, Epicuro y Lucrecio llegaron al concepto de la materia como la base indestructible e inviable de todo lo que existe. Por otro lado, la observación de los continuos cambios en la naturaleza llevó a Tales, Anaximandro, Anaximenes, Heráclito de Éfeso, Leu-cippo y Demócrito a la conclusión de que la propiedad más importante de la materia es que la materia está siempre en movimiento. Con el desarrollo de la formulación matemática de la mecánica, dos leyes aparecieron sobre esta base: la ley de conservación de la masa, establecida por M. V. Lomonosov y A. Lavoisier, y la ley de conservación de la energía mecánica, avanzada por G. von Leibniz. J. R. von Mayer, J. Joule, and H. von Helmholtz posteriormente descubrió experimentalmente la ley de conservación de energía en fenómenos no mecánicos. Así, a mediados del siglo XIX, las leyes de conservación de la masa y la energía, que se interpretaban como la conservación de la materia y el movimiento, habían tomado forma.

A principios del siglo XX, sin embargo, el desarrollo de la teoría especial de la relatividad trajo una reconsideración fundamental de estas leyes de conservación (verELATIVIDAD, TEORÍA DE). La teoría especial de la relatividad reemplazó a la mecánica clásica newtoniana en la descripción del movimiento a altas velocidades comparables a la velocidad de la luz. La masa, determinada a partir de las propiedades inerciales de un cuerpo, dependía de la velocidad del cuerpo. En consecuencia, la masa caracteriza no solo la cantidad de materia, sino también su movimiento. Por otro lado, el concepto de energía también sufrió un cambio: de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein E = mc2, la energía total E es proporcional a la masa m; aquí, c es la velocidad de la luz. Así, la ley de conservación de la energía en la teoría especial de la relatividad unió las leyes de conservación de la masa y la energía que habían existido en la mecánica clásica. Cuando las leyes de conservación de la masa y la energía se consideran por separado, no se cumplen, es decir, la cantidad de materia no se puede caracterizar sin tener en cuenta su movimiento.

La evolución de la ley de conservación de la energía muestra que, dado que las leyes de conservación se extraen de la experiencia, requieren verificación experimental y refinamiento de vez en cuando. Uno no puede estar seguro de que una ley dada o la declaración específica de una ley seguirá siendo válida para siempre, independientemente del aumento en la experiencia humana. La ley de conservación de la energía también es interesante en que la física y la filosofía están muy estrechamente entrelazadas en ella. A medida que se refinaba la ley, se transformaba gradualmente de una declaración filosófica vaga y abstracta en una fórmula cuantitativa exacta. Por otro lado, algunas leyes de conservación aparecieron directamente en forma cuantitativa. Tales leyes incluyen las leyes de conservación del momento, momento angular y carga eléctrica y numerosas leyes de conservación en la teoría de partículas elementales. Las leyes de conservación son una parte esencial de la física moderna.

Las leyes de conservación desempeñan un papel importante en la teoría cuántica, particularmente en la teoría de partículas elementales. Por ejemplo, las leyes de conservación determinan las reglas de selección, según las cuales las reacciones de partículas elementales que violarían una ley de conservación no pueden ocurrir en la naturaleza. Además de las leyes de conservación que también se aplican en la física de los cuerpos macroscópicos (conservación de energía, momento, momento angular y carga eléctrica), muchas leyes de conservación específicas han aparecido en la teoría de partículas elementales que permiten explicar las reglas de selección observadas experimentalmente. Ejemplos son las leyes de conservación del número bariónico y el número de leptón; estas leyes son exactas, es decir, se aplican en todo tipo de interacciones y en todos los procesos. Además de las leyes de conservación exactas, las leyes de conservación aproximadas, que se cumplen en algunos procesos y se violan en otros, también existen en la teoría de las partículas elementales. Estas leyes de conservación aproximadas tienen sentido si se puede indicar con precisión la clase de procesos y fenómenos en los que se satisfacen. Ejemplos de leyes de conservación aproximadas son las leyes de conservación de la extrañeza (o de la hipercarga), el espín iso-tópico (véase INVARIANCIA isotópica) y la paridad. Estas leyes se cumplen estrictamente en los procesos de interacción fuerte, que tienen un tiempo característico de 10-23-10-24 segundos, pero se violan en los procesos de interacción débil, cuyo tiempo característico es de aproximadamente 10″10 segundos. Las interacciones electromagnéticas violan la ley de conservación del espín isotópico. Por lo tanto, las investigaciones de partículas elementales han demostrado una vez más la necesidad de verificar las leyes de conservación existentes en todos los dominios de los fenómenos.

Las leyes de conservación están estrechamente relacionadas con las propiedades de simetría de los sistemas físicos. Aquí, la simetría se entiende como la invariancia de las leyes físicas con respecto a ciertas transformaciones de las cantidades involucradas en la formulación de estas leyes. Para un sistema dado, la existencia de una simetría significa que existe una cantidad física conservada (TEOREMA DE seeNOÉTERES). Por lo tanto, si se conocen las propiedades de simetría de un sistema, entonces se pueden encontrar leyes de conservación para él, y viceversa.

Como se indicó anteriormente, las leyes de conservación de las cantidades mecánicas de energía, momento y momento angular son universales. La razón de esta circunstancia es que las simetrías correspondientes pueden considerarse simetrías del espacio-tiempo (el universo), en el que se mueven los cuerpos materiales. Por lo tanto, la conservación de la energía se deriva de la homogeneidad del tiempo, es decir, de la invariancia de las leyes físicas bajo un cambio en el origen de la coordenada de tiempo (traducciones del tiempo). La conservación del momento y la conservación del momento angular seguir, respectivamente, de la homogeneidad del espacio (invariancia bajo traslaciones de espacio) y de la isotropía del espacio (invariancia bajo rotaciones del espacio). Por lo tanto, una verificación de las leyes de conservación mecánica constituye una verificación de las propiedades fundamentales correspondientes del espacio-tiempo. Durante mucho tiempo se creyó que, además de las simetrías enumeradas anteriormente, el espacio-tiempo tiene simetría de reflexión, es decir, es invariante bajo inversión espacial. La paridad del espacio debe entonces conservarse. En 1957, sin embargo, la no conservación de la paridad se detectó experimentalmente en interacciones débiles. Una vez más, las creencias sobre las propiedades subyacentes de la geometría del universo tuvieron que ser reexaminadas.

El desarrollo de la teoría de la gravitación aparentemente requerirá un nuevo examen de los puntos de vista sobre la simetría del espacio-tiempo y sobre las leyes fundamentales de conservación, particularmente las leyes de conservación de la energía y el impulso.