Konservierungsgesetz

ein physikalisches Gesetz, das besagt, dass die numerischen Werte einer physikalischen Größe in keinem Prozess oder in einer bestimmten Klasse von Prozessen mit der Zeit variieren. Eine vollständige Beschreibung eines physikalischen Systems ist nur im Rahmen dynamischer Gesetze möglich, die die Entwicklung eines Systems mit der Zeit im Detail definieren. In vielen Fällen ist das dynamische Gesetz für ein gegebenes System jedoch unbekannt oder zu kompliziert. In einer solchen Situation erlauben die Erhaltungsgesetze einige Rückschlüsse auf den Charakter des Verhaltens des Systems. Die wichtigsten Erhaltungsgesetze sind die Gesetze der Erhaltung von Energie, Impuls, Drehimpuls und elektrischer Ladung. Diese Gesetze gelten für alle isolierten Systeme. Zusätzlich zu den universellen Erhaltungsgesetzen gibt es Erhaltungsgesetze, die nur für begrenzte Klassen von Systemen und Phänomenen gelten.

Die Idee der Erhaltung erschien ursprünglich als rein philosophische Vermutung über die Existenz von etwas Unveränderlichem und Stabilem in einer sich ständig verändernden Welt. Die antiken materialistischen Philosophen Anaxagoras, Empedokles, Demokrit, Epikur und Lukrez kamen zu dem Begriff der Materie als der unzerstörbaren und unschöpflichen Grundlage von allem, was existiert. Auf der anderen Seite brachte die Beobachtung kontinuierlicher Veränderungen in der Natur Thales, Anaximander, Anaximenes, Heraklit von Ephesus, Leu-Cippus und Demokrit zu dem Schluss, dass die wichtigste Eigenschaft der Materie ist, dass die Materie immer in Bewegung ist. Mit der Entwicklung der mathematischen Formulierung der Mechanik erschienen auf dieser Grundlage zwei Gesetze: das von M. V. Lomonossow und A. Lavoisier dargelegte Gesetz der Massenerhaltung und das von G. von Leibniz vorgelegte Gesetz der Erhaltung der mechanischen Energie. J. R. von Mayer, J. Joule, und H. von Helmholtz entdeckte anschließend experimentell das Gesetz der Energieerhaltung bei nichtmechanischen Phänomenen. So hatten Mitte des 19.Jahrhunderts die Gesetze der Erhaltung von Masse und Energie, die als Erhaltung von Materie und Bewegung interpretiert wurden, Gestalt angenommen.

Im frühen 20.Jahrhundert brachte jedoch die Entwicklung der speziellen Relativitätstheorie eine grundlegende Überlegung dieser Erhaltungsgesetze mit sich (Seerelativität, THEORIE DER). Die spezielle Relativitätstheorie ersetzte die klassische Newtonsche Mechanik bei der Beschreibung der Bewegung bei hohen Geschwindigkeiten, die mit der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar sind. Die Masse, die aus den Trägheitseigenschaften eines Körpers bestimmt wird, hängt von der Geschwindigkeit des Körpers ab. Folglich charakterisiert Masse nicht nur die Menge der Materie, sondern auch ihre Bewegung. Andererseits hat sich auch der Energiebegriff geändert: Nach Einsteins berühmter Gleichung E = mc2 ist die Gesamtenergie E proportional zur Masse m; hier ist c die Lichtgeschwindigkeit. So vereinte das Gesetz der Erhaltung der Energie in der speziellen Relativitätstheorie die Gesetze der Erhaltung von Masse und Energie, die in der klassischen Mechanik bestanden hatten. Wenn die Gesetze der Erhaltung von Masse und Energie getrennt betrachtet werden, sind sie nicht erfüllt — das heißt, die Menge der Materie kann nicht charakterisiert werden, ohne ihre Bewegung zu berücksichtigen.

Die Entwicklung des Energieerhaltungsgesetzes zeigt, dass Erhaltungsgesetze, da sie aus Erfahrung gezogen werden, von Zeit zu Zeit experimentell verifiziert und verfeinert werden müssen. Man kann nicht sicher sein, dass ein bestimmtes Gesetz oder die spezifische Aussage eines Gesetzes für immer gültig bleiben wird, unabhängig von der Zunahme der menschlichen Erfahrung. Das Gesetz der Energieerhaltung ist auch insofern interessant, als Physik und Philosophie darin sehr eng miteinander verwoben sind. Als das Gesetz verfeinert wurde, verwandelte es sich allmählich von einer vagen und abstrakten philosophischen Aussage in eine exakte quantitative Formel. Auf der anderen Seite erschienen einige Erhaltungsgesetze direkt in quantitativer Form. Zu diesen Gesetzen gehören die Gesetze der Impulserhaltung, des Drehimpulses und der elektrischen Ladung sowie zahlreiche Erhaltungsgesetze in der Theorie der Elementarteilchen. Erhaltungsgesetze sind ein wesentlicher Bestandteil der modernen Physik.

Eine wichtige Rolle spielen Erhaltungsgesetze in der Quantentheorie, insbesondere in der Theorie der Elementarteilchen. Beispielsweise bestimmen Erhaltungsgesetze Selektionsregeln, nach denen Elementarteilchenreaktionen, die gegen ein Erhaltungsgesetz verstoßen würden, in der Natur nicht auftreten können. Zusätzlich zu den Erhaltungsgesetzen, die auch in der Physik makroskopischer Körper gelten (Erhaltung von Energie, Impuls, Drehimpuls und elektrischer Ladung), sind in der Elementarteilchentheorie viele spezifische Erhaltungsgesetze aufgetaucht, die die Erklärung experimentell beobachteter Selektionsregeln ermöglichen. Beispiele sind die Gesetze der Erhaltung der Baryonenzahl und Leptonenzahl; Diese Gesetze sind genau – das heißt, sie gelten in allen Arten von Wechselwirkungen und in allen Prozessen. Neben exakten Erhaltungsgesetzen existieren in der Theorie der Elementarteilchen auch ungefähre Erhaltungsgesetze, die in einigen Prozessen erfüllt und in anderen verletzt werden. Solche ungefähren Erhaltungsgesetze haben eine Bedeutung, wenn die Klasse der Prozesse und Phänomene, in denen sie erfüllt sind, genau angegeben werden kann. Beispiele für ungefähre Erhaltungsgesetze sind die Gesetze der Erhaltung der Fremdheit (oder der Hyperladung), des isotopischen Spins (siehe isotopische INVARIANZ) und der Parität. Diese Gesetze sind streng in starken Wechselwirkungsprozessen erfüllt, die eine charakteristische Zeit von 10-23-10-24 sec haben, aber in schwachen Wechselwirkungsprozessen verletzt werden, deren charakteristische Zeit ungefähr 10 “10 sec beträgt. Elektromagnetische Wechselwirkungen verletzen das Gesetz der Erhaltung des Isotopenspins. So haben Untersuchungen von Elementarteilchen einmal mehr die Notwendigkeit gezeigt, bestehende Erhaltungsgesetze in jedem Bereich von Phänomenen zu verifizieren.

Erhaltungsgesetze sind eng mit den Symmetrieeigenschaften physikalischer Systeme verbunden. Unter Symmetrie wird hier die Invarianz physikalischer Gesetze in Bezug auf bestimmte Transformationen der an der Formulierung dieser Gesetze beteiligten Größen verstanden. Für ein gegebenes System bedeutet die Existenz einer Symmetrie, dass eine konservierte physikalische Größe existiert (seeNOETHERS THEOREM). Wenn also die Symmetrieeigenschaften eines Systems bekannt sind, können Erhaltungsgesetze dafür gefunden werden und umgekehrt.

Wie oben erwähnt, sind die Gesetze der Erhaltung der mechanischen Größen Energie, Impuls und Drehimpuls universell. Der Grund für diesen Umstand ist, dass die entsprechenden Symmetrien als Symmetrien der Raumzeit (des Universums) angesehen werden können, in denen sich materielle Körper bewegen. Die Erhaltung der Energie folgt also aus der Homogenität der Zeit — dh aus der Invarianz physikalischer Gesetze bei einer Änderung des Ursprungs der Zeitkoordinate (Zeitübersetzungen). Die Erhaltung des Impulses und die Erhaltung des Drehimpulses folgen jeweils aus der Homogenität des Raumes (Invarianz unter Raumübersetzungen) und aus der Isotropie des Raumes (Invarianz unter Raumrotationen). Eine Verifikation mechanischer Erhaltungsgesetze stellt daher eine Verifikation der entsprechenden fundamentalen Eigenschaften der Raumzeit dar. Es wurde lange geglaubt, dass die Raumzeit zusätzlich zu den oben aufgeführten Symmetrien eine Reflexionssymmetrie aufweist – das heißt, sie ist unter Rauminversion invariant. Die Raumparität sollte dann erhalten bleiben. 1957 wurde jedoch die Nichtkonservierung der Parität experimentell in schwachen Wechselwirkungen nachgewiesen. Wieder einmal musste der Glaube an die zugrunde liegenden Eigenschaften der Geometrie des Universums neu untersucht werden.

Die Entwicklung der Gravitationstheorie wird offenbar eine weitere Überprüfung der Ansichten über die Symmetrie der Raumzeit und über grundlegende Erhaltungsgesetze, insbesondere die Gesetze der Energie- und Impulserhaltung, erfordern.