természetvédelmi törvény

fizikai törvény, amely kimondja, hogy bizonyos fizikai mennyiségek számértékei nem változnak idővel egyetlen folyamatban vagy egy bizonyos folyamatosztályban sem. A fizikai rendszer teljes leírása csak olyan dinamikus törvények keretein belül lehetséges, amelyek részletesen meghatározzák a rendszer időbeli fejlődését. Sok esetben azonban egy adott rendszer dinamikus törvénye ismeretlen vagy túl bonyolult. Ilyen helyzetben a természetvédelmi törvények lehetővé teszik bizonyos következtetések levonását a rendszer viselkedésének jellegéről. A legfontosabb védelmi törvények az energia, a lendület, a szögmomentum és az elektromos töltés megőrzésének törvényei. Ezek a törvények minden elszigetelt rendszerre érvényesek. Az egyetemes természetvédelmi törvények mellett léteznek olyan természetvédelmi törvények is, amelyek csak a rendszerek és jelenségek korlátozott osztályaira vonatkoznak.

a megőrzés gondolata eredetileg pusztán filozófiai feltevésként jelent meg valami változatlan és stabil létezéséről az állandóan változó világban. Az ősi materialista filozófusok, Anaxagoras, Empedokles, Democritus, Epicurus és Lucretius eljutottak az anyag fogalmához, mint minden létező elpusztíthatatlan és teremthetetlen alapjához. Másrészt a természet folyamatos változásainak megfigyelése Thales, Anaximander, Anaximenes, Ephesusi Hérakleitosz, Leu-cippus és Democritus arra a következtetésre jutott, hogy az anyag legfontosabb tulajdonsága, hogy az anyag mindig mozgásban van. A mechanika matematikai megfogalmazásának fejlődésével két törvény jelent meg ezen az alapon: a tömegmegmaradás törvénye, amelyet M. V. Lomonosov és A. Lavoisier, valamint a mechanikai energia megőrzésének törvénye, amelyet G. von Leibniz fejlesztett ki. J. R. von Mayer, J. Joule és H. von Helmholtz ezt követően kísérletileg felfedezte az energiamegmaradás törvényét a nem mechanikus jelenségekben. Így a 19.század közepére kialakultak a tömeg-és energiamegmaradás törvényei, amelyeket az anyag és a mozgás megőrzésének értelmeztek.

a 20.század elején azonban a speciális relativitáselmélet fejlődése alapvető újragondolást hozott ezeknek a természetvédelmi törvényeknek (seerelativitás, elmélete). A speciális relativitáselmélet felváltotta a klasszikus, newtoni mechanikát a fénysebességhez hasonló nagy sebességű mozgás leírásában. A test tehetetlenségi tulajdonságai alapján meghatározott tömeg a test sebességétől függ. Következésképpen a tömeg nemcsak az anyag mennyiségét, hanem mozgását is jellemzi. Másrészt az energia fogalma is megváltozott: Einstein híres E = mc2 egyenlete szerint az e teljes energia arányos az m tömeggel; itt c a fénysebesség. Így az energiamegmaradás törvénye a speciális relativitáselméletben egyesítette a klasszikus mechanikában létező tömeg-és energiamegmaradás törvényeit. Ha a tömeg-és energiamegmaradás törvényeit külön-külön vesszük figyelembe, akkor azok nem teljesülnek—vagyis az anyag mennyiségét nem lehet jellemezni anélkül, hogy figyelembe vennénk annak mozgását.

az energiamegmaradás törvényének fejlődése azt mutatja, hogy mivel a természetvédelmi törvények tapasztalatból származnak, időről időre kísérleti ellenőrzést és finomítást igényelnek. Nem lehet biztos abban, hogy egy adott törvény vagy egy törvény konkrét nyilatkozata örökké érvényes marad, függetlenül az emberi tapasztalatok növekedésétől. Az energiamegmaradás törvénye abban is érdekes, hogy a fizika és a filozófia nagyon szorosan összefonódik benne. Ahogy a törvényt finomították, fokozatosan átalakult egy homályos és elvont filozófiai kijelentésből egy pontos mennyiségi formulává. Másrészt egyes természetvédelmi törvények közvetlenül mennyiségi formában jelentek meg. Ilyen törvények közé tartoznak a lendület, a szögmomentum és az elektromos töltés megőrzésének törvényei, valamint az elemi részecskék elméletében számos megőrzési törvény. A természetvédelmi törvények a modern fizika elengedhetetlen részét képezik.

fontos szerepet játszanak a védelmi törvények a kvantumelméletben, különösen az elemi részecskék elméletében. Például a természetvédelmi törvények meghatározzák a szelekciós szabályokat, amelyek szerint a természetben nem fordulhatnak elő olyan elemi részecske-reakciók, amelyek megsértenék a természetvédelmi törvényt. A makroszkopikus testek fizikájában is érvényes természetvédelmi törvények mellett (energiamegmaradás, lendület, szögmomentum és elektromos töltés) számos speciális természetvédelmi törvény jelent meg az elemi részecskeelméletben, amelyek lehetővé teszik a kísérletileg megfigyelt szelekciós szabályok magyarázatát. Ilyenek például a barionszám és a lepton-szám megőrzésének törvényei; ezek a törvények pontosak—vagyis minden típusú kölcsönhatásban és minden folyamatban érvényesek. A pontos természetvédelmi törvények mellett az elemi részecskék elméletében léteznek hozzávetőleges természetvédelmi törvények is, amelyek bizonyos folyamatokban teljesülnek, másokban pedig megsértik őket. Az ilyen közelítő természetvédelmi törvényeknek akkor van értelme, ha pontosan meg lehet jelölni azon folyamatok és jelenségek osztályát, amelyekben teljesülnek. Példák a közelítő természetvédelmi törvényekre a furcsaság (vagy a hypercharge) megőrzésének törvényei, iso-téma spin (látizotóp invariancia), paritás. Ezek a törvények szigorúan teljesülnek az erős interakciós folyamatokban, amelyek jellegzetes ideje 10-23-10-24 sec, de megsértik a gyenge interakciós folyamatokban, amelyek jellemző ideje körülbelül 10″10 sec. az elektromágneses kölcsönhatások megsértik az izotópos spin megőrzésének törvényét. Így az elemi részecskék vizsgálata ismét megmutatta a meglévő természetvédelmi törvények ellenőrzésének szükségességét a jelenségek minden területén.

a természetvédelmi törvények szorosan kapcsolódnak a fizikai rendszerek szimmetriatulajdonságaihoz. Itt a szimmetriát úgy értjük, mint a fizikai törvények invarianciáját az e törvények megfogalmazásában részt vevő mennyiségek bizonyos átalakulásai tekintetében. Egy adott rendszer esetében a szimmetria létezése azt jelenti, hogy konzervált fizikai mennyiség létezik (seeNOETHERS tétel). Tehát, ha egy rendszer szimmetriatulajdonságai ismertek, akkor természetvédelmi törvények találhatók rá, és fordítva.

mint fentebb említettük, az energia, a lendület és a szögmomentum mechanikai mennyiségeinek megőrzésének törvényei univerzálisak. Ennek a körülménynek az az oka, hogy a megfelelő szimmetriák a téridő (az univerzum) szimmetriáinak tekinthetők, amelyben az anyagi testek mozognak. Így az energia megőrzése az idő homogenitásából következik—vagyis a fizikai törvények invarianciájából az idő koordináta eredetének megváltozása (az idő fordításai) alatt. A lendület megőrzése és a szögmomentum megőrzése a tér homogenitásából (invariancia a tér fordításai alatt) és a tér izotrópiájából (invariancia a tér forgásai alatt) következik. Ezért a mechanikai védelmi törvények ellenőrzése a téridő megfelelő alapvető tulajdonságainak ellenőrzését jelenti. Régóta azt hitték, hogy a fent felsorolt szimmetriák mellett a tér-idő reflexiós szimmetriával is rendelkezik—vagyis invariáns a tér inverziója alatt. A térparitást ezután meg kell őrizni. 1957-ben azonban kísérletileg kimutatták a paritás nem megőrzését gyenge kölcsönhatásokban. Ismét meg kellett vizsgálni az univerzum geometriájának alapvető tulajdonságaival kapcsolatos hiedelmeket.

a gravitáció elméletének fejlődése nyilvánvalóan szükségessé teszi a téridő szimmetriájával és az alapvető természetvédelmi törvényekkel, különösen az energia és a lendület megőrzésének törvényeivel kapcsolatos nézetek további felülvizsgálatát.