Legea Conservării

o lege fizică care afirmă că valorile numerice ale unei cantități fizice nu variază în funcție de timp în niciun proces sau într-o anumită clasă de procese. O descriere completă a unui sistem fizic este posibilă numai în cadrul legilor dinamice care definesc în detaliu evoluția unui sistem cu timpul. Cu toate acestea, în multe cazuri, legea dinamică pentru un anumit sistem este necunoscută sau prea complicată. Într-o astfel de situație, legile de conservare permit să se tragă unele concluzii cu privire la caracterul comportamentului sistemului. Cele mai importante legi de conservare sunt legile conservării energiei, impulsului, momentului unghiular și sarcinii electrice. Aceste legi sunt valabile pentru orice sisteme izolate. În plus față de legile universale de conservare, există legi de conservare care se aplică numai pentru clase limitate de sisteme și fenomene.

ideea conservării a apărut inițial ca o presupunere pur filosofică asupra existenței a ceva neschimbat și stabil într-o lume în continuă schimbare. Filozofii materialiști antici Anaxagoras, Empedocles, Democrit, Epicur și Lucretius au ajuns la conceptul de materie ca bază indestructibilă și necreată a tot ceea ce există. Pe de altă parte, observarea schimbărilor continue în natură i-a adus pe Thales, Anaximandru, Anaximenes, Heraclit din Efes, Leu-cippus și Democrit la concluzia că cea mai importantă proprietate a materiei este că materia este mereu în mișcare. Odată cu dezvoltarea formulării matematice a mecanicii, pe această bază au apărut două legi: Legea conservării masei, prezentată de M. V. Lomonosov și A. Lavoisier, și Legea conservării energiei mecanice, avansată de G. von Leibniz. J. R. von Mayer, J. Joule și H. von Helmholtz a descoperit ulterior experimental legea conservării energiei în fenomene nonmecanice. Astfel, până la mijlocul secolului al 19-lea, legile conservării masei și energiei, care au fost interpretate ca conservarea materiei și a mișcării, au luat formă.

la începutul secolului 20, cu toate acestea, dezvoltarea teoriei speciale a relativității a adus o reconsiderare fundamentală a acestor legi de conservare (seerelativitate, teoria). Teoria specială a relativității a înlocuit mecanica clasică, Newtoniană, în descrierea mișcării la viteze mari comparabile cu viteza luminii. Masa, determinată din proprietățile inerțiale ale unui corp, s-a constatat că depinde de viteza corpului. În consecință, masa caracterizează nu numai cantitatea de materie, ci și mișcarea acesteia. Pe de altă parte, conceptul de energie a suferit și o schimbare: conform celebrei ecuații a lui Einstein E = mc2, energia totală E este proporțională cu masa m; aici, c este viteza luminii. Astfel, legea conservării energiei în teoria specială a relativității a unit legile conservării masei și energiei care existau în mecanica clasică. Atunci când legile conservării masei și energiei sunt considerate separat, ele nu sunt îndeplinite—adică cantitatea de materie nu poate fi caracterizată fără a ține cont de mișcarea ei.

evoluția legii conservării energiei arată că, din moment ce legile de conservare sunt extrase din experiență, ele necesită verificare experimentală și perfecționare din când în când. Nu putem fi siguri că o lege dată sau declarația specifică a unei legi vor rămâne valabile pentru totdeauna, indiferent de creșterea experienței umane. Legea conservării energiei este, de asemenea, interesantă prin faptul că fizica și filosofia sunt foarte strâns legate în ea. Pe măsură ce legea a fost rafinată, ea a fost transformată treptat dintr-o afirmație filosofică vagă și abstractă într-o formulă cantitativă exactă. Pe de altă parte, unele legi de conservare au apărut direct într-o formă cantitativă. Astfel de legi includ legile conservării impulsului, momentului unghiular și sarcinii electrice și numeroase legi de conservare în teoria particulelor elementare. Legile de conservare sunt o parte esențială a fizicii moderne.

un rol important îl joacă legile de conservare în teoria cuantică, în special în teoria particulelor elementare. De exemplu, legile de conservare determină regulile de selecție, conform cărora reacțiile particulelor elementare care ar încălca o lege de conservare nu pot apărea în natură. În plus față de legile de conservare care se aplică și în fizica corpurilor macroscopice (conservarea energiei, impulsul, impulsul unghiular și sarcina electrică), multe legi specifice de conservare au apărut în teoria particulelor elementare care permit explicarea regulilor de selecție observate experimental. Exemple sunt legile conservării numărului de barioni și a numărului de leptoni; aceste legi sunt exacte—adică se mențin în toate tipurile de interacțiuni și în toate procesele. Pe lângă legile exacte de conservare, legile aproximative de conservare, care sunt satisfăcute în unele procese și încălcate în altele, există și în teoria particulelor elementare. Astfel de legi aproximative de conservare au sens dacă clasa proceselor și fenomenelor în care sunt satisfăcute poate fi indicată cu precizie. Exemple de legi aproximative de conservare sunt legile conservării ciudățeniei (sau a hipercharge), spin iso-subiect (vezi invarianța isotopică) și paritate. Aceste legi sunt strict satisfăcute în procesele de interacțiune puternică, care au un timp caracteristic de 10-23-10-24 sec, dar sunt încălcate în procesele de interacțiune slabă, al căror timp caracteristic este de aproximativ 10″10 sec. interacțiunile electromagnetice încalcă legea conservării spinului izotopic. Astfel, investigațiile particulelor elementare au arătat încă o dată necesitatea verificării legilor de conservare existente în fiecare domeniu al fenomenelor.

legile de conservare sunt strâns legate de proprietățile de simetrie ale sistemelor fizice. Aici, simetria este înțeleasă ca invarianța legilor fizice în ceea ce privește anumite transformări ale cantităților implicate în formularea acestor legi. Pentru un sistem dat, existența unei simetrii înseamnă că există o cantitate fizică conservată (teorema seeNOETHERS). Astfel, dacă proprietățile de simetrie ale unui sistem sunt cunoscute, atunci legile de conservare pot fi găsite pentru acesta și invers.

după cum s-a menționat mai sus, legile de conservare a cantităților mecanice energie, impuls, și moment unghiular sunt universale. Motivul acestei circumstanțe este că simetriile corespunzătoare pot fi considerate simetrii ale spațiu-timp (universul), în care corpurile materiale se mișcă. Astfel, conservarea energiei rezultă din omogenitatea timpului—adică din invarianța legilor fizice sub o schimbare a originii coordonatei timpului (traduceri ale timpului). Conservarea impulsului și conservarea impulsului unghiular urmează, respectiv, din omogenitatea spațiului (invarianța sub traducerile spațiului) și din izotropia spațiului (invarianța sub rotațiile spațiului). Prin urmare, o verificare a legilor mecanice de conservare constituie o verificare a proprietăților fundamentale corespunzătoare ale spațiului-timp. S-a crezut mult timp că, pe lângă simetriile enumerate mai sus, spațiul—timp are simetrie de reflecție-adică este invariant sub inversiunea spațiului. Paritatea spațiului ar trebui apoi conservată. Cu toate acestea, în 1957, neconservarea parității a fost detectată experimental în interacțiuni slabe. Încă o dată, credințele cu privire la proprietățile subiacente ale geometriei universului trebuiau reexaminate.

dezvoltarea teoriei gravitației va necesita aparent o reexaminare suplimentară a punctelor de vedere asupra simetriei spațiului-timp și asupra legilor fundamentale de conservare, în special legile conservării energiei și impulsului.