bevarande lag

en fysisk lag som anger att de numeriska värdena för någon fysisk kvantitet inte varierar med tiden i någon process eller i en viss klass av processer. En fullständig beskrivning av ett fysiskt system är endast möjligt inom ramen för dynamiska lagar som i detalj definierar utvecklingen av ett system med tiden. I många fall är dock den dynamiska lagen för ett visst system okänd eller för komplicerad. I en sådan situation tillåter bevarandelagar vissa slutsatser att dras om karaktären av systemets beteende. De viktigaste bevarandelagarna är lagarna för bevarande av energi, momentum, vinkelmoment och elektrisk laddning. Dessa lagar gäller för alla isolerade system. Förutom universella bevarandelagar finns det bevarandelagar som endast gäller för begränsade klasser av system och fenomen.

tanken om bevarande uppträdde ursprungligen som en rent filosofisk gissning om förekomsten av något oföränderligt och stabilt i en ständigt föränderlig värld. De forntida materialistiska filosoferna Anaxagoras, Empedocles, Democritus, Epicurus och Lucretius kom fram till begreppet materia som den oförstörbara och okreatabla grunden för allt som finns. Å andra sidan, observation av ständiga förändringar i naturen förde Thales, Anaximander, Anaximenes, Heraclitus av Efesos, Leu-cippus, och Democritus till slutsatsen att den viktigaste egenskapen hos materia är att Materia är alltid i rörelse. Med utvecklingen av den matematiska formuleringen av mekanik uppträdde två lagar på denna grund: lagen om bevarande av massa, framlagd av M. V. Lomonosov och A. Lavoisier, och lagen om bevarande av mekanisk energi, avancerad av G. von Leibniz. J. R. von Mayer, J. Joule och H. von Helmholtz upptäckte därefter experimentellt lagen om bevarande av energi i icke-mekaniska fenomen. Således, i mitten av 19-talet lagarna för bevarande av massa och energi, som tolkades som bevarande av materia och rörelse, hade tagit form.

i början av 20-talet tog utvecklingen av den speciella relativitetsteorin en grundläggande omprövning av dessa bevarandelagar (serelativitet, teori om). Den speciella relativitetsteorin ersatte klassisk, newtonsk mekanik i beskrivningen av rörelse vid höga hastigheter jämförbara med ljusets hastighet. Massa, som bestäms av tröghetsegenskaperna hos en kropp, befanns bero på kroppens hastighet. Följaktligen karakteriserar massan inte bara mängden materia utan också dess rörelse. Å andra sidan genomgick begreppet energi också en förändring: enligt Einsteins berömda ekvation E = mc2 är den totala energin E proportionell mot massan m; här är c ljusets hastighet. Således Förenade lagen om bevarande av energi i den speciella relativitetsteorin lagarna om bevarande av massa och energi som hade funnits i klassisk mekanik. När lagarna för bevarande av massa och energi betraktas separat, uppfylls de inte—det vill säga mängden materia kan inte karakteriseras utan att ta hänsyn till dess rörelse.

utvecklingen av lagen om bevarande av energi visar att eftersom bevarandelagar dras av erfarenhet kräver de experimentell verifiering och förfining från tid till annan. Man kan inte vara säker på att en viss lag eller det specifika uttalandet om en lag kommer att förbli giltigt för alltid, oavsett ökningen av mänsklig erfarenhet. Lagen om bevarande av energi är också intressant eftersom fysik och filosofi är mycket nära sammanvävda i den. När lagen förfinades omvandlades den gradvis från ett vagt och abstrakt filosofiskt uttalande till en exakt kvantitativ formel. Å andra sidan uppträdde vissa bevarandelagar direkt i kvantitativ form. Sådana lagar inkluderar lagarna för bevarande av momentum, vinkelmoment och elektrisk laddning och många bevarandelagar i teorin om elementära partiklar. Bevarandelagar är en viktig del av modern fysik.

en viktig roll spelas av bevarandelagar i kvantteori, särskilt i teorin om elementära partiklar. Till exempel bestämmer bevarandelagar urvalsregler, enligt vilka elementära partikelreaktioner som skulle bryta mot en bevarandelag inte kan förekomma i naturen. Förutom bevarandelagar som också håller i fysiken hos makroskopiska kroppar (bevarande av energi, momentum, vinkelmoment och elektrisk laddning) har många specifika bevarandelagar dykt upp i elementär partikelteori som tillåter förklaring av experimentellt observerade urvalsregler. Exempel är lagarna för bevarande av baryonnummer och leptonnummer; dessa lagar är exakta—det vill säga de håller i alla typer av interaktioner och i alla processer. Förutom exakta bevarandelagar finns ungefärliga bevarandelagar, som är nöjda i vissa processer och kränks i andra, också i teorin om elementära partiklar. Sådana ungefärliga bevarandelagar har betydelse om klassen av processer och fenomen där de är nöjda kan anges exakt. Exempel på ungefärliga bevarandelagar är lagarna för bevarande av konstighet (eller hyperladdning), iso-ämnesspinn (seisotopisk invarians) och paritet. Dessa lagar är strikt uppfyllda i starka interaktionsprocesser, som har en karakteristisk tid på 10-23-10-24 SEK, men bryts i svaga interaktionsprocesser, vars karakteristiska tid är ungefär 10″10 sek. elektromagnetiska interaktioner bryter mot lagen om bevarande av isotopspinn. Således har undersökningar av elementära partiklar återigen visat nödvändigheten av att verifiera befintliga bevarandelagar inom varje fenomenområde.

bevarandelagar är nära besläktade med symmetriegenskaperna hos fysiska system. Här förstås symmetri som invariansen av fysiska lagar med avseende på vissa omvandlingar av de kvantiteter som är involverade i formuleringen av dessa lagar. För ett givet system innebär förekomsten av en symmetri att en bevarad fysisk kvantitet existerar (seeNOETHERS THEOREM). Således, om ett systems symmetriegenskaper är kända, kan bevarandelagar hittas för det och omvänt.

som nämnts ovan är lagarna för bevarande av de mekaniska kvantiteterna energi, momentum och vinkelmoment universella. Anledningen till denna omständighet är att motsvarande symmetrier kan betraktas som symmetrier av rymdtid (universum), där materiella kroppar rör sig. Således följer bevarandet av energi från tidens homogenitet—det vill säga från invariansen av fysiska lagar under en förändring av tidskoordinatens ursprung (översättningar av tid). Bevarandet av momentum och bevarande av vinkelmoment följer respektive från rymdens homogenitet (invarians under översättningar av rymden) och från rymdens isotropi (invarians under rotationer av rymden). Därför utgör en verifiering av mekaniska bevarandelagar en verifiering av motsvarande grundläggande egenskaper hos rymdtid. Man trodde länge att förutom de ovan angivna symmetrierna har rymdtid reflektionssymmetri-det vill säga den är invariant under rymdinversion. Rymdparitet bör då bevaras. 1957 upptäcktes emellertid icke-bevarande av paritet experimentellt i svaga interaktioner. Återigen måste övertygelser om de underliggande egenskaperna hos universums geometri omprövas.

utvecklingen av gravitationsteorin kommer tydligen att kräva en ytterligare omprövning av åsikter om rymdtidens symmetri och om grundläggande bevarandelagar, särskilt lagarna om bevarande av energi och momentum.