Conservation Law

een natuurkundige wet die bepaalt dat de numerieke waarden van een natuurkundige hoeveelheid in geen enkel proces of in een bepaalde klasse van processen met de tijd variëren. Een volledige beschrijving van een fysiek systeem is alleen mogelijk binnen het kader van dynamische wetten die de evolutie van een systeem met de tijd in detail definiëren. In veel gevallen is de dynamische wet voor een bepaald systeem echter onbekend of te ingewikkeld. In zo ‘ n situatie staan conservatiewetten toe om enige conclusies te trekken over het karakter van het gedrag van het systeem. De belangrijkste instandhoudingswetten zijn de wetten van behoud van energie, momentum, impulsmoment en elektrische lading. Deze wetten gelden voor alle geïsoleerde systemen. Naast universele natuurbeschermingswetten bestaan er natuurbeschermingswetten die alleen gelden voor beperkte klassen van systemen en verschijnselen.Het idee van behoud verscheen oorspronkelijk als een zuiver filosofisch vermoeden over het bestaan van iets onveranderlijk en stabiel in een voortdurend veranderende wereld. De oude materialistische filosofen Anaxagoras, Empedocles, Democritus, Epicurus en Lucretius kwamen tot het concept van de materie als de onverwoestbare en onhandelbare basis van alles wat bestaat. Aan de andere kant, de observatie van voortdurende veranderingen in de natuur bracht Thales, Anaximander, Anaximenes, Heraclitus van Efeze, Leu-cippus, en Democritus tot de conclusie dat de belangrijkste eigenschap van de materie is dat de materie altijd in beweging is. Met de ontwikkeling van de wiskundige formulering van de mechanica, twee wetten verschenen op deze basis: de wet van het behoud van de massa, uiteengezet door M. V. Lomonosov en A. Lavoisier, en de wet van het behoud van de mechanische energie, ontwikkeld door G. von Leibniz. J. R. von Mayer, J. Joule, en H. von Helmholtz ontdekte vervolgens experimenteel de wet van behoud van energie in niet-mechanische verschijnselen. Tegen het midden van de 19e eeuw hadden de wetten van het behoud van Massa en energie, die werden geïnterpreteerd als het behoud van materie en beweging, vorm gekregen.In het begin van de 20e eeuw bracht de ontwikkeling van de speciale relativiteitstheorie echter een fundamentele heroverweging van deze conservatiewetten (seeRELATIVITY, THEORY OF). De speciale relativiteitstheorie verving de klassieke, Newtoniaanse mechanica in de beschrijving van beweging bij hoge snelheden vergelijkbaar met de lichtsnelheid. Massa, zoals bepaald door de traagheidseigenschappen van een lichaam, bleek af te hangen van de snelheid van het lichaam. Bijgevolg kenmerkt massa niet alleen de hoeveelheid materie, maar ook de beweging ervan. Aan de andere kant onderging het begrip energie ook een verandering: volgens Einstein ‘ s beroemde vergelijking E = mc2 is de totale energie E evenredig met de massa m; hier is c de lichtsnelheid. Zo verenigde de wet van behoud van energie in de speciale relativiteitstheorie de wetten van behoud van Massa en energie die in de klassieke mechanica bestonden. Wanneer de wetten van behoud van Massa en energie afzonderlijk worden beschouwd, zijn ze niet vervuld—dat wil zeggen, de hoeveelheid materie kan niet worden gekarakteriseerd zonder rekening te houden met de beweging ervan.

de ontwikkeling van de wet op het behoud van energie toont aan dat, aangezien de instandhoudingswetten zijn gebaseerd op ervaring, zij van tijd tot tijd experimentele verificatie en verfijning vereisen. Men kan er niet zeker van zijn dat een bepaalde wet of de specifieke uitspraak van een wet voor altijd geldig zal blijven, ongeacht de toename van de menselijke ervaring. De wet van behoud van energie is ook interessant omdat natuurkunde en filosofie er zeer nauw in verweven zijn. Naarmate de wet werd verfijnd, werd ze geleidelijk getransformeerd van een vage en abstracte filosofische uitspraak in een exacte kwantitatieve formule. Aan de andere kant verschenen sommige instandhoudingswetten direct in kwantitatieve vorm. Dergelijke wetten omvatten de wetten van behoud van momentum, impulsmoment en elektrische lading en talrijke behoudswetten in de theorie van elementaire deeltjes. Natuurbeschermingswetten zijn een essentieel onderdeel van de moderne natuurkunde.Behoudswetten spelen een belangrijke rol in de kwantumtheorie, met name in de theorie van elementaire deeltjes. Natuurbeschermingswetten bepalen bijvoorbeeld de selectieregels, volgens welke elementair-deeltjesreacties die in strijd zijn met een Natuurbeschermingswet, niet in de natuur kunnen voorkomen. Naast conservatiewetten die ook gelden in de fysica van macroscopische lichamen (conservation of energy, momentum, angular momentum, and electric charge), zijn er veel specifieke conservatiewetten verschenen in de elementaire deeltjestheorie die een verklaring mogelijk maken van experimenteel waargenomen selectieregels. Voorbeelden zijn de wetten van behoud van baryongetal en lepton—nummer; deze wetten zijn exact-dat wil zeggen, ze gelden in alle soorten interacties en in alle processen. Naast de exacte instandhoudingswetten bestaan er in de theorie van elementaire deeltjes ook benaderende instandhoudingswetten, die in sommige processen worden nageleefd en in andere worden geschonden. Dergelijke benaderende instandhoudingswetten hebben Betekenis als de klasse van processen en verschijnselen waarin zij worden voldaan nauwkeurig kan worden aangegeven. Voorbeelden van approximate conservation Law zijn de wetten van behoud van vreemdheid (of Van hypercharge), ISO-topic spin (seeISOTOPIC INVARIANCE), en pariteit. Deze wetten zijn strikt voldaan in sterke-interactie processen, die een karakteristieke tijd van 10-23-10-24 sec hebben, maar worden geschonden in zwakke-interactie processen, waarvan de karakteristieke tijd is ongeveer 10″10 sec. elektromagnetische interacties schenden de wet van behoud van isotopische spin. Zo hebben onderzoeken van elementaire deeltjes opnieuw de noodzaak aangetoond van het verifiëren van bestaande instandhoudingswetten op elk gebied van verschijnselen.

Instandhoudingswetten hangen nauw samen met de symmetrie-eigenschappen van fysische systemen. Hier wordt symmetrie begrepen als de invariantie van natuurkundige wetten met betrekking tot bepaalde transformaties van de grootheden die betrokken zijn bij de formulering van deze wetten. Voor een gegeven systeem betekent het bestaan van een symmetrie dat een behouden fysische grootheid bestaat (stelling van seeNOETHERS). Dus, als de symmetrie eigenschappen van een systeem bekend zijn, dan kunnen er conservatiewetten voor gevonden worden, en omgekeerd.

zoals hierboven vermeld, zijn de wetten voor het behoud van de mechanische grootheden energie, momentum en impulsmoment universeel. De reden voor deze omstandigheid is dat de corresponderende symmetrieën kunnen worden beschouwd als symmetrieën van ruimte-tijd (het universum), waarin materiële lichamen bewegen. Het behoud van energie volgt dus uit de homogeniteit van de tijd—dat wil zeggen uit de invariantie van natuurkundige wetten onder een verandering in de oorsprong van de tijdcoördinaat (vertalingen van de tijd). Het behoud van het momentum en het behoud van het impulsmoment volgen respectievelijk uit de homogeniteit van de ruimte (invariantie onder ruimtevertalingen) en uit de isotropie van de ruimte (invariantie onder rotaties van de ruimte). Daarom is een verificatie van mechanische conservatiewetten een verificatie van de overeenkomstige fundamentele eigenschappen van ruimte-tijd. Men geloofde lang dat, naast de hierboven genoemde symmetrieën, ruimte-tijd reflectiesymmetrie heeft—dat wil zeggen, het is invariant onder ruimte-inversie. Ruimtepariteit moet dan behouden blijven. In 1957, echter, werd de nonconservatie van pariteit experimenteel ontdekt in zwakke interacties. Opnieuw moesten de overtuigingen met betrekking tot de onderliggende eigenschappen van de geometrie van het universum opnieuw worden onderzocht.

de ontwikkeling van de theorie van de zwaartekracht zal blijkbaar een nieuw onderzoek noodzakelijk maken van de opvattingen over de symmetrie van ruimte-tijd en over fundamentele instandhoudingswetten, in het bijzonder de wetten van behoud van energie en momentum.