säilymislaki

fysikaalinen laki, jonka mukaan jonkin fysikaalisen suureen numeeriset arvot eivät vaihtele ajan mukaan missään prosessissa tai tietyssä prosessiluokassa. Fysikaalisen järjestelmän täydellinen kuvaus on mahdollista vain dynaamisten lakien puitteissa, jotka määrittelevät yksityiskohtaisesti järjestelmän kehityksen ajan kanssa. Monissa tapauksissa tietyn järjestelmän dynaaminen laki on kuitenkin tuntematon tai liian monimutkainen. Tällaisessa tilanteessa luonnonsuojelulait sallivat tehdä joitakin johtopäätöksiä järjestelmän käyttäytymisen luonteesta. Tärkeimpiä säilymislakeja ovat energian, liikemäärän, kulmamomentin ja sähkövarauksen säilymisen lait. Nämä lait pätevät kaikkiin erillisiin järjestelmiin. Yleisten säilymislakien lisäksi on olemassa säilymislakeja, jotka koskevat vain rajoitettuja järjestelmiä ja ilmiöitä.

ajatus säilymisestä esiintyi alun perin puhtaasti filosofisena otaksumana jonkin muuttumattoman ja vakaan olemassaolosta alati muuttuvassa maailmassa. Antiikin materialistiset filosofit Anaksagoras, Empedokles, Demokritos, Epikuros ja Lucretius päätyivät käsitykseen aineesta kaiken olemassa olevan tuhoutumattomana ja parantumattomana perustana. Toisaalta luonnon jatkuvien muutosten tarkkailu sai Thales, Anaksimandros, Anaksimenes, Herakleitos Efesoslainen, Leu-cippos ja Demokritos päättelemään, että aineen tärkein ominaisuus on se, että aine on aina liikkeessä. Kun kehittäminen matemaattinen muotoilu mekaniikka, kaksi lakia ilmestyi tämän perustan: laki säilyttämistä massa, esitetään M. V. Lomonosov ja A. Lavoisier, ja laki säilyttämisen mekaanisen energian, edistänyt G. von Leibniz. J. R. von Mayer, J. Joule ja H. von Helmholtz löysi myöhemmin kokeellisesti energian säilymisen lain ei-mekaanisissa ilmiöissä. Niinpä 1800-luvun puoliväliin mennessä olivat muotoutuneet massan ja energian säilymislait, jotka tulkittiin aineen ja liikkeen säilymisiksi.

1900-luvun alussa erityisen suhteellisuusteorian kehittyminen toi kuitenkin näiden säilymislakien perusteellisen uudelleenarvioinnin (näkelativismi, teoria). Erityinen suhteellisuusteoria korvasi klassisen, newtonilaisen mekaniikan valon nopeuteen verrattavien liikkeiden kuvauksessa. Kappaleen inertiaaliominaisuuksista määritetyn massan havaittiin riippuvan kappaleen nopeudesta. Näin ollen massa ei luonnehdi ainoastaan aineen määrää, vaan myös sen liikettä. Toisaalta myös energian käsite muuttui: Einsteinin kuuluisan yhtälön E = mc2 mukaan kokonaisenergia E on verrannollinen massaan m; tässä c on valonnopeus. Niinpä erityiseen suhteellisuusteoriaan sisältyvä energian säilymislaki yhdisti ne massan ja energian säilymislait, jotka olivat olleet olemassa klassisessa mekaniikassa. Kun massan ja energian säilymisen lakeja tarkastellaan erikseen, ne eivät täyty—toisin sanoen aineen määrää ei voida luonnehtia ottamatta huomioon sen liikettä.

energian säilymislain kehitys osoittaa, että koska säilymislait perustuvat kokemukseen, ne vaativat aika ajoin kokeellista todentamista ja tarkentamista. Ei voida olla varmoja siitä, että jokin laki tai sen nimenomainen lausuma pysyy voimassa ikuisesti ihmisen kokemuksen lisääntymisestä huolimatta. Energian säilymisen laki on mielenkiintoinen myös siinä mielessä, että fysiikka ja filosofia nivoutuvat siinä hyvin läheisesti yhteen. Kun lakia tarkennettiin, se muuttui vähitellen epämääräisestä ja abstraktista filosofisesta lausumasta täsmälliseksi kvantitatiiviseksi kaavaksi. Toisaalta jotkut säilymislait esiintyivät suoraan määrällisessä muodossa. Tällaisia lakeja ovat liikemäärän, kulmamomentin ja sähkövarauksen säilymislait sekä lukuisat alkeishiukkasten teorian säilymislait. Säilymislait ovat olennainen osa nykyaikaista fysiikkaa.

säilymislaeilla on tärkeä rooli kvanttiteoriassa, erityisesti alkeishiukkasten teoriassa. Esimerkiksi konservointilait määrittävät valintasäännöt, joiden mukaan luonnossa ei voi tapahtua alkeishiukkasreaktioita, jotka rikkoisivat luonnonsuojelulakia. Niiden säilymislakien lisäksi, joita esiintyy myös makroskooppisten kappaleiden fysiikassa (energian, liikemäärän, kulmamomentin ja sähkövarauksen säilyminen), alkeishiukkasteoriassa on esiintynyt monia erityisiä säilymislakeja, jotka mahdollistavat kokeellisesti Havaittujen valintasääntöjen selittämisen. Esimerkkejä ovat baryoniluvun ja leptoniluvun säilymislait; nämä lait ovat täsmällisiä-toisin sanoen ne pitävät paikkansa kaikenlaisissa vuorovaikutuksissa ja kaikissa prosesseissa. Tarkkojen säilymislakien lisäksi alkeishiukkasten teoriassa on olemassa myös likimääräisiä säilymislakeja, jotka täyttyvät joissakin prosesseissa ja joita rikotaan toisissa. Tällaisilla likimääräisillä säilymislaeilla on merkitystä, jos voidaan osoittaa tarkasti niiden prosessien ja ilmiöiden Luokka, joissa ne täyttyvät. Esimerkkejä likimääräisistä säilymislaeista ovat Strangeness (tai hypercharge), iso-topic spin (seeISOTOPIC INVARIANCE) ja pariteetti. Nämä lait täyttyvät tiukasti vahvan vuorovaikutuksen prosesseissa, joiden ominaisaika on 10-23-10-24 sekuntia, mutta niitä rikotaan heikon vuorovaikutuksen prosesseissa, joiden ominaisaika on noin 10″10 Sekuntia. sähkömagneettiset vuorovaikutukset rikkovat isotooppisen Spinin säilymislakia. Näin alkeishiukkasten tutkimukset ovat jälleen kerran osoittaneet, että on tarpeen tarkistaa olemassa olevat säilymislait kaikilla ilmiöiden aloilla.

säilymislait liittyvät läheisesti fysikaalisten systeemien symmetriaominaisuuksiin. Tässä symmetrialla tarkoitetaan fysikaalisten lakien invarianssia tiettyjen näiden lakien muotoiluun osallistuvien suureiden muunnosten suhteen. Tietyllä systeemillä symmetrian olemassaolo tarkoittaa sitä, että säilyvä fysikaalinen suure on olemassa (seenoethersin lause). Jos siis systeemin symmetriaominaisuudet tunnetaan, sille voidaan löytää säilymislakeja, ja päinvastoin.

kuten edellä todettiin, mekaanisten suureiden energian, liikemäärän ja kulmamomentin säilymisen lait ovat universaaleja. Syynä tähän on se, että vastaavia symmetrioita voidaan pitää aika-avaruuden (maailmankaikkeuden) symmetrioina, joissa aineelliset kappaleet liikkuvat. Energian säilyminen seuraa siis ajan homogeenisuudesta-toisin sanoen fysikaalisten lakien invarianssista aikakoordinaatiston alkuperän muuttuessa (ajan käännökset). Liikemäärän säilyminen ja kulmamomentin säilyminen seuraavat vastaavasti avaruuden homogeenisuudesta (invarianssi avaruuden käännöksissä) ja avaruuden isotropiasta (invarianssi avaruuden rotaatioissa). Mekaanisten säilymislakien verifiointi on siis aika-avaruuden vastaavien perusominaisuuksien verifiointia. Pitkään uskottiin, että edellä lueteltujen symmetrioiden lisäksi aika-avaruudella on heijastussymmetria—toisin sanoen se on invariantti avaruuden inversiossa. Tämän jälkeen avaruuden pariteetti olisi säilytettävä. Vuonna 1957 pariteetin säilymättömyys havaittiin kuitenkin kokeellisesti heikoissa vuorovaikutuksissa. Jälleen kerran uskomuksia, jotka koskevat taustalla ominaisuuksia, geometria, maailmankaikkeus oli tutkittava uudelleen.

gravitaatioteorian kehittyminen vaatii ilmeisesti uuden tarkastelun, joka koskee aika-avaruuden symmetriaa ja säilymislakeja, erityisesti energian ja liikemäärän säilymislakeja.