prawo konserwacyjne

prawo fizyczne stwierdzające, że wartości liczbowe pewnej ilości fizycznej nie zmieniają się w czasie w żadnym procesie lub w określonej klasie procesów . Pełny opis systemu fizycznego jest możliwy tylko w ramach praw dynamicznych, które szczegółowo określają ewolucję systemu w czasie. W wielu przypadkach jednak prawo dynamiczne dla danego systemu jest nieznane lub zbyt skomplikowane. W takiej sytuacji prawa konserwatorskie pozwalają wyciągnąć pewne wnioski co do charakteru zachowania systemu. Najważniejszymi prawami zachowania są prawa zachowania energii, pędu, momentu pędu i ładunku elektrycznego. Te prawa są ważne dla wszystkich systemów izolowanych. Oprócz powszechnych praw konserwatorskich istnieją prawa konserwatorskie, które dotyczą tylko ograniczonych klas systemów i zjawisk.

idea konserwacji pierwotnie pojawiła się jako czysto filozoficzne przypuszczenie o istnieniu czegoś niezmiennego i stabilnego w nieustannie zmieniającym się świecie. Starożytni materialistyczni filozofowie Anaksagoras, Empedokles, Demokryt, Epikur i Lukrecjusz doszli do koncepcji materii jako niezniszczalnej i niezrównanej podstawy wszystkiego, co istnieje. Z drugiej strony obserwacja ciągłych zmian w przyrodzie doprowadziła Thalesa, Anaksymandra, Anaksymenesa, Heraklitusa z Efezu, leu-cippusa i Demokryta do wniosku, że najważniejszą właściwością materii jest to, że materia jest zawsze w ruchu. Wraz z rozwojem matematycznego sformułowania mechaniki na tej podstawie pojawiły się dwa prawa: prawo zachowania masy, określone przez M. V. Lomonosova i A. Lavoisiera oraz prawo zachowania energii mechanicznej, opracowane przez G. von Leibniza. J. R. von Mayer, J. Joule, and H. von Helmholtz odkrył następnie eksperymentalnie prawo zachowania energii w zjawiskach niemechanicznych. Tak więc w połowie XIX wieku prawa zachowania masy i energii, które były interpretowane jako zachowanie materii i ruchu, nabrały kształtu.

jednak na początku XX wieku rozwój szczególnej teorii względności przyniósł fundamentalne ponowne rozważenie tych praw zachowania (seeRELATIVITY, THEORY of). Szczególna teoria względności zastąpiła klasyczną, Newtonowską mechanikę w opisie ruchu przy dużych prędkościach porównywalnych z prędkością światła. Okazało się, że masa, określona na podstawie inercyjnych właściwości ciała, zależy od prędkości ciała. W konsekwencji masa charakteryzuje nie tylko ilość materii, ale także jej ruch. Z drugiej strony, pojęcie energii również uległo zmianie: zgodnie ze słynnym równaniem Einsteina E = mc2, całkowita energia E jest proporcjonalna do masy m; tutaj c jest prędkością światła. Tak więc prawo zachowania energii w szczególnej teorii względności zjednoczyło prawa zachowania masy i energii, które istniały w mechanice klasycznej. Kiedy prawa zachowania masy i energii są rozpatrywane oddzielnie, nie są one spełnione-to znaczy ilość materii nie może być scharakteryzowana bez uwzględnienia jej ruchu.

ewolucja prawa zachowania energii pokazuje, że ponieważ prawa ochrony pochodzą z doświadczenia, wymagają one od czasu do czasu eksperymentalnej weryfikacji i udoskonalenia. Nie można być pewnym, że dane prawo lub konkretne oświadczenie prawa pozostanie ważne na zawsze, niezależnie od wzrostu ludzkiego doświadczenia. Prawo zachowania energii jest również interesujące, ponieważ fizyka i filozofia są w nim bardzo ściśle powiązane. W miarę udoskonalania prawa stopniowo przekształcano je z niejasnej i abstrakcyjnej wypowiedzi filozoficznej w dokładną formułę ilościową. Z drugiej strony niektóre prawa konserwatorskie pojawiły się bezpośrednio w formie ilościowej. Takie prawa obejmują prawa zachowania pędu, momentu pędu i ładunku elektrycznego oraz liczne prawa zachowania w teorii cząstek elementarnych. Prawa ochrony są istotną częścią współczesnej fizyki.

ważną rolę odgrywają prawa zachowania w teorii kwantowej, szczególnie w teorii cząstek elementarnych. Na przykład prawa ochronne określają zasady selekcji, zgodnie z którymi reakcje cząstek elementarnych, które naruszałyby prawo ochronne, nie mogą wystąpić w przyrodzie. Oprócz praw zachowania, które posiadają również w fizyce ciał makroskopowych (zachowanie energii, pędu, momentu pędu i ładunku elektrycznego), w teorii cząstek elementarnych pojawiło się wiele specyficznych praw zachowania, które pozwalają na Wyjaśnienie eksperymentalnie obserwowanych zasad selekcji. Przykładami są prawa zachowania liczby barionowej i liczby leptonowej; prawa te są dokładne—to znaczy, że znajdują zastosowanie we wszystkich rodzajach oddziaływań i we wszystkich procesach. Oprócz dokładnych praw ochrony, przybliżone prawa ochrony, które są spełnione w niektórych procesach, a naruszone w innych, istnieją również w teorii cząstek elementarnych. Takie przybliżone prawa zachowania mają znaczenie, jeśli można precyzyjnie wskazać klasę procesów i zjawisk, w których są spełnione. Przykładami przybliżonych praw zachowania są prawa zachowania obcości (lub hiperładowania), spinu izotopowego (zob. niezmienność izotopowa) i parzystości. Prawa te są ściśle spełnione w silnych procesów interakcji, które mają charakterystyczny czas 10-23-10-24 sek, ale są naruszane w słabych procesów interakcji, których charakterystyczny czas wynosi około 10 ” 10 sek. oddziaływania elektromagnetyczne naruszają prawo zachowania izotopowego spinu. W ten sposób badania cząstek elementarnych po raz kolejny wykazały konieczność weryfikacji istniejących praw konserwatorskich w każdej dziedzinie zjawisk.

prawa zachowania są ściśle związane z właściwościami symetrii układów fizycznych. Tutaj symetria jest rozumiana jako niezmienność praw fizycznych w odniesieniu do pewnych przekształceń wielkości zaangażowanych w formułowanie tych praw. Dla danego układu istnienie symetrii oznacza, że istnieje zachowana ilość fizyczna (zob. twierdzenie o symetrii). Tak więc, jeśli znane są właściwości symetrii układu, można znaleźć dla niego prawa zachowania i odwrotnie.

jak stwierdzono powyżej, prawa zachowania mechanicznych wielkości energii, pędu i momentu pędu są uniwersalne. Przyczyną takiej sytuacji jest to, że odpowiadające jej symetrie można uznać za symetrie czasoprzestrzeni (wszechświata), w której poruszają się ciała materialne. Tak więc zachowanie energii wynika z jednorodności czasu – czyli z niezmienności praw fizycznych pod wpływem zmiany pochodzenia współrzędnej czasu (przekładu czasu). Zachowanie pędu i zachowanie pędu kątowego wynika, odpowiednio, z jednorodności przestrzeni (niezmienniczość pod wpływem obrotu przestrzeni) i z Izotropii przestrzeni (niezmienniczość pod wpływem obrotu przestrzeni). Dlatego weryfikacja praw zachowania mechanicznego stanowi weryfikację odpowiednich podstawowych właściwości czasoprzestrzeni. Od dawna uważano, że oprócz symetrii wymienionych powyżej, czasoprzestrzeń ma symetrię odbicia-to znaczy jest niezmiennicza pod inwersją przestrzeni. Parzystość przestrzeni powinna być wtedy zachowana. Jednak w 1957 r. eksperymentalnie wykryto brak zachowania parzystości w oddziaływaniach słabych. Po raz kolejny przekonania dotyczące podstawowych właściwości geometrii wszechświata musiały zostać ponownie zbadane.

rozwój teorii grawitacji będzie najwyraźniej wymagał dalszego ponownego zbadania poglądów na symetrię czasoprzestrzeni i na podstawowe prawa zachowania, w szczególności prawa zachowania energii i pędu.