Legge di conservazione

una legge fisica che afferma che i valori numerici di una certa quantità fisica non variano nel tempo in qualsiasi processo o in una certa classe di processi. Una descrizione completa di un sistema fisico è possibile solo nel quadro di leggi dinamiche che definiscono in dettaglio l’evoluzione di un sistema nel tempo. In molti casi, tuttavia, la legge dinamica per un dato sistema è sconosciuta o troppo complicata. In tale situazione le leggi di conservazione consentono di trarre alcune conclusioni sul carattere del comportamento del sistema. Le leggi di conservazione più importanti sono le leggi di conservazione dell’energia, del momento, del momento angolare e della carica elettrica. Queste leggi sono valide per qualsiasi sistema isolato. Oltre alle leggi di conservazione universali, esistono leggi di conservazione che valgono solo per classi limitate di sistemi e fenomeni.

L’idea di conservazione originariamente appariva come una congettura puramente filosofica sull’esistenza di qualcosa di immutabile e stabile in un mondo in continua evoluzione. Gli antichi filosofi materialisti Anassagora, Empedocle, Democrito, Epicuro e Lucrezio arrivarono al concetto di materia come base indistruttibile e non creabile di tutto ciò che esiste. D’altra parte, l’osservazione di continui cambiamenti nella natura ha portato Talete, Anassimandro, Anassimene, Eraclito di Efeso, Leu-cippo, e Democrito alla conclusione che la proprietà più importante della materia è che la materia è sempre in movimento. Con lo sviluppo della formulazione matematica della meccanica, due leggi apparvero su questa base: la legge di conservazione della massa, esposta da M. V. Lomonosov e A. Lavoisier, e la legge di conservazione dell’energia meccanica, avanzata da G. von Leibniz. J. R. von Mayer, J. Joule, e H. von Helmholtz successivamente scoprì sperimentalmente la legge di conservazione dell’energia nei fenomeni non meccanici. Così, verso la metà del 19 ° secolo le leggi di conservazione della massa e dell’energia, che erano state interpretate come la conservazione della materia e del movimento, avevano preso forma.

All’inizio del xx secolo, tuttavia, lo sviluppo della teoria speciale della relatività ha portato una riconsiderazione fondamentale di queste leggi di conservazione (vederelatività, TEORIA DI). La teoria speciale della relatività sostituì la meccanica classica newtoniana nella descrizione del movimento ad alte velocità paragonabili alla velocità della luce. Massa, come determinato dalle proprietà inerziali di un corpo, è stato trovato a dipendere dalla velocità del corpo. Di conseguenza, la massa caratterizza non solo la quantità di materia ma anche il suo movimento. D’altra parte, anche il concetto di energia ha subito un cambiamento: secondo la famosa equazione di Einstein E = mc2, l’energia totale E è proporzionale alla massa m; qui, c è la velocità della luce. Quindi, la legge di conservazione dell’energia nella teoria speciale della relatività univa le leggi di conservazione della massa e dell’energia che esistevano nella meccanica classica. Quando le leggi di conservazione della massa e dell’energia sono considerate separatamente, non sono soddisfatte—cioè, la quantità di materia non può essere caratterizzata senza tener conto del suo movimento.

L’evoluzione della legge di conservazione dell’energia mostra che, poiché le leggi di conservazione sono tratte dall’esperienza, richiedono di volta in volta verifiche sperimentali e perfezionamenti. Non si può essere sicuri che una data legge o la specifica dichiarazione di una legge rimarrà valida per sempre, indipendentemente dall’aumento dell’esperienza umana. La legge di conservazione dell’energia è anche interessante in quanto la fisica e la filosofia sono strettamente intrecciate in essa. Man mano che la legge veniva perfezionata, veniva gradualmente trasformata da una dichiarazione filosofica vaga e astratta in una formula quantitativa esatta. D’altra parte, alcune leggi di conservazione sono apparse direttamente in una forma quantitativa. Tali leggi includono le leggi di conservazione della quantità di moto, momento angolare e carica elettrica e numerose leggi di conservazione nella teoria delle particelle elementari. Le leggi di conservazione sono una parte essenziale della fisica moderna.

Un ruolo importante è svolto dalle leggi di conservazione nella teoria quantistica, in particolare nella teoria delle particelle elementari. Ad esempio, le leggi di conservazione determinano le regole di selezione, in base alle quali reazioni di particelle elementari che violerebbero una legge di conservazione non possono verificarsi in natura. Oltre alle leggi di conservazione che valgono anche nella fisica dei corpi macroscopici (conservazione dell’energia, momento, momento angolare e carica elettrica), molte leggi di conservazione specifiche sono apparse nella teoria delle particelle elementari che consentono la spiegazione delle regole di selezione osservate sperimentalmente. Esempi sono le leggi di conservazione del numero di barione e del numero di lepton; queste leggi sono esatte—cioè, valgono in tutti i tipi di interazioni e in tutti i processi. Oltre alle leggi di conservazione esatte, le leggi di conservazione approssimative, che sono soddisfatte in alcuni processi e violate in altri, esistono anche nella teoria delle particelle elementari. Tali leggi di conservazione approssimative hanno un significato se la classe di processi e fenomeni in cui sono soddisfatti può essere indicata con precisione. Esempi di leggi di conservazione approssimative sono le leggi di conservazione della stranezza (o dell’ipercarica), lo spin iso-topic (vedi INVARIANZA isotopica) e la parità. Queste leggi sono rigorosamente soddisfatte nei processi di interazione forte, che hanno un tempo caratteristico di 10-23-10-24 sec, ma sono violate nei processi di interazione debole, il cui tempo caratteristico è di circa 10″10 sec. Le interazioni elettromagnetiche violano la legge di conservazione dello spin isotopico. Pertanto, le indagini sulle particelle elementari hanno dimostrato ancora una volta la necessità di verificare le leggi di conservazione esistenti in ogni dominio dei fenomeni.

Le leggi di conservazione sono strettamente correlate alle proprietà di simmetria dei sistemi fisici. Qui, la simmetria è intesa come l’invarianza delle leggi fisiche rispetto a determinate trasformazioni delle quantità coinvolte nella formulazione di queste leggi. Per un dato sistema, l’esistenza di una simmetria significa che esiste una quantità fisica conservata (TEOREMA degli eteri). Quindi, se le proprietà di simmetria di un sistema sono note, allora le leggi di conservazione possono essere trovate per esso, e viceversa.

Come detto sopra, le leggi di conservazione delle quantità meccaniche energia, quantità di moto e momento angolare sono universali. La ragione di questa circostanza è che le simmetrie corrispondenti possono essere considerate come simmetrie dello spazio-tempo (l’universo), in cui i corpi materiali si muovono. Quindi, la conservazione dell’energia deriva dall’omogeneità del tempo—cioè dall’invarianza delle leggi fisiche sotto un cambiamento nell’origine della coordinata temporale (traduzioni del tempo). La conservazione del momento e la conservazione del momento angolare seguono, rispettivamente, dall’omogeneità dello spazio (invarianza sotto le traduzioni dello spazio) e dall’isotropia dello spazio (invarianza sotto le rotazioni dello spazio). Pertanto, una verifica delle leggi di conservazione meccanica costituisce una verifica delle corrispondenti proprietà fondamentali dello spazio-tempo. Si è creduto a lungo che, oltre alle simmetrie sopra elencate, lo spazio-tempo abbia una simmetria di riflessione—cioè, è invariante sotto l’inversione dello spazio. La parità spaziale dovrebbe quindi essere conservata. Nel 1957, tuttavia, la nonconservazione della parità fu rilevata sperimentalmente nelle interazioni deboli. Ancora una volta le credenze riguardanti le proprietà sottostanti della geometria dell’universo dovevano essere riesaminate.

Lo sviluppo della teoria della gravitazione richiederà apparentemente un ulteriore riesame delle opinioni sulla simmetria dello spazio-tempo e sulle leggi fondamentali di conservazione, in particolare le leggi di conservazione dell’energia e della quantità di moto.