Lei de Conservação

uma lei física, informando que os valores numéricos de alguma quantidade física não variam com o tempo em qualquer processo ou em uma determinada classe de processos. Uma descrição completa de um sistema físico só é possível no âmbito de leis dinâmicas que definem em detalhe a evolução de um sistema com o tempo. Em muitos casos, porém, a lei dinâmica de um determinado sistema é desconhecida ou muito complicada. Em tal situação, as leis de conservação permitem tirar algumas conclusões quanto ao caráter do comportamento do sistema. As leis de conservação mais importantes são as leis de conservação de energia, momento, momento angular e carga elétrica. Estas leis são válidas para qualquer sistema isolado. Além das leis de conservação universais, existem leis de conservação que se aplicam apenas a classes limitadas de sistemas e fenômenos.

a ideia de conservação surgiu originalmente como uma conjectura puramente filosófica sobre a existência de algo imutável e estável em um mundo em constante mudança. Os antigos filósofos materialistas Anaxágoras, Empédocles, Demócrito, Epicuro e Lucrécio chegaram ao conceito de matéria como a base indestrutível e incurável de tudo o que existe. Por outro lado, a observação de mudanças contínuas na natureza levou a Tales, Anaximandro, Anaxímenes, Heráclito de Éfeso, Leu-cippus e Demócrito à conclusão de que a propriedade mais importante da matéria é que a matéria está sempre em movimento. Com o desenvolvimento da formulação matemática da mecânica, duas leis apareceu sobre este fundamento: a lei da conservação de massa, definida por M. V. Lomonosov e A. Lavoisier e a lei da conservação da energia mecânica, avançada por G. von Leibniz. J. R. von Mayer, J. Joule, and H. von Helmholtz descobriu experimentalmente a lei de conservação da energia em fenômenos não mecânicos. Assim, em meados do século XIX, as leis de conservação de massa e energia, que eram interpretadas como a conservação da matéria e do movimento, tinham tomado forma.

In the early 20th century, however, the development of the special theory of relativity brought a fundamental reconsideration of these conservation laws (seeRELATIVITY, THEORY OF). A teoria da relatividade especial substituiu a mecânica clássica Newtoniana na descrição do movimento em altas velocidades comparáveis à velocidade da luz. A massa, determinada a partir das propriedades inerciais de um corpo, foi encontrada para depender da velocidade do corpo. Consequentemente, a massa caracteriza não só a quantidade de matéria, mas também o seu movimento. Por outro lado, o conceito de energia, também sofreu uma alteração: de acordo com a famosa equação de Einstein E = mc2, a energia total E é proporcional à massa m; aqui, c é a velocidade da luz. Assim, a lei de conservação da energia na teoria da relatividade especial uniu as leis de conservação da massa e da energia que existiam na mecânica clássica. Quando as leis de conservação de massa e energia são consideradas separadamente, elas não são cumpridas—isto é, a quantidade de matéria não pode ser caracterizada sem levar em conta o seu movimento.

a evolução da lei de conservação da energia mostra que, uma vez que as leis de conservação são extraídas da experiência, elas requerem verificação experimental e refinamento de tempos em tempos. Não se pode ter a certeza de que uma determinada lei ou a declaração específica de uma lei permanecerá válida para sempre, independentemente do aumento da experiência humana. A lei da conservação da energia também é interessante, pois a física e a filosofia estão intimamente interligadas nela. À medida que a lei era aperfeiçoada, ela foi gradualmente transformada de uma afirmação filosófica vaga e abstrata em uma fórmula quantitativa exata. Por outro lado, algumas leis de conservação apareceram diretamente em uma forma quantitativa. Tais leis incluem as leis de conservação do momento, momento angular e carga elétrica e numerosas leis de conservação na teoria das partículas elementares. As leis de conservação são uma parte essencial da física moderna.

um papel importante é desempenhado pelas leis de conservação na teoria quântica, particularmente na teoria das partículas elementares. Por exemplo, as leis de conservação determinam as regras de seleção, de acordo com as quais reações de partículas elementares que violariam uma lei de conservação não podem ocorrer na natureza. Além de leis de conservação que também mantenha a física dos corpos macroscópicos (conservação da energia, momento, momento angular, e carga elétrica), muitos específicas leis de conservação têm aparecido em partículas elementares, teoria que permitem a explicação de observadas experimentalmente regras de seleção. Exemplos são as leis de conservação do número de bárions e do número de leptons; estas leis são exatas-isto é, elas possuem em todos os tipos de interações e em todos os processos. Além das leis de conservação exatas, as leis de conservação aproximadas, que são satisfeitas em alguns processos e violadas em outros, também existem na teoria das partículas elementares. Tais leis de conservação aproximadas têm significado se a classe de processos e fenômenos em que estão satisfeitos pode ser indicada com precisão. Exemplos de leis aproximadas de conservação são as leis de conservação da estranheza (ou da hipercarga), spin-tópico iso (invariância seeisotópica), e paridade. Estas leis são estritamente satisfeitas em processos de interação forte, que têm um tempo característico de 10-23-10-24 s, mas são violadas em processos de interação fraca, cujo tempo característico é de aproximadamente 10″10 s. interações eletromagnéticas violam a lei de conservação do spin isotópico. Assim, investigações de partículas elementares mostraram mais uma vez a necessidade de verificar as leis de conservação existentes em todos os domínios dos fenômenos.

as leis de conservação estão intimamente relacionadas com as propriedades de simetria dos sistemas físicos. Aqui, a simetria é entendida como a invariância das leis físicas em relação a certas transformações das quantidades envolvidas na formulação dessas leis. Para um dado sistema, a existência de uma simetria significa que existe uma quantidade física conservada (teorema de seeNOETHERS). Assim, se as propriedades de simetria de um sistema são conhecidas, então as leis de conservação podem ser encontradas para ele, e inversamente.As leis de conservação das quantidades mecânicas de energia, momento e Momento angular são universais. A razão para esta circunstância é que as simetrias correspondentes podem ser consideradas como simetrias do espaço-tempo (o universo), em que os corpos materiais se movem. Assim, a conservação da energia decorre da homogeneidade do tempo—isto é, da invariância das leis físicas sob uma mudança na origem da coordenada do tempo (traduções do tempo). A conservação do momento e a conservação do momento angular seguem, respectivamente, da homogeneidade do espaço (invariância sob traduções do espaço) e da isotropia do espaço (invariância sob rotações do espaço). Portanto, uma verificação das leis de conservação mecânica constitui uma verificação das correspondentes propriedades fundamentais do espaço-tempo. Acreditava-se há muito tempo que, além das simetrias listadas acima, o espaço—tempo tem simetria de reflexão-ou seja, é invariante sob inversão espacial. A paridade de espaço deve então ser conservada. Em 1957, no entanto, a não-conservação da paridade foi experimentalmente detectada em interações fracas. Mais uma vez, as crenças sobre as propriedades subjacentes da geometria do universo tiveram de ser reexaminadas.

O desenvolvimento da teoria da gravitação aparentemente vai exigir mais reexame de pontos de vista sobre a simetria do espaço-tempo e fundamentais leis de conservação, especialmente as leis de conservação de energia e momentum.