Akademik

СОХРАНЕНИЯ ЗАКОНЫ

СОХРАНЕНИЯ ЗАКОНЫ: физич. закономерности, согласно к-рым численные значения нек-рых физ. величин не изменяются со временем в любых процессах или в определ. классе процессов. Полное описание физ. системы возможно лишь в рамках динамич. законов, к-рые детально определяют изменение состояния системы с течением времени. Однако во мн. случаях динамич. закон для данной системы неизвестен или слишком сложен. В такой ситуации С. з. позволяют сделать нек-рые заключения о хар-ре поведения системы. Важнейшими С. з., справедливыми для любых изолированных систем, явл. законы сохранения энергии, импульса, момента кол-ва движения, электрич. заряда. Кроме всеобщих, существуют С. з., справедливые лишь для огранич. классов систем и явлений.

Идея сохранения появилась сначала как чисто философская догадка о наличии неизменного (стабильного) в вечно меняющемся мире. Ещё античные философы-материалисты пришли к понятию материи — неуничтожимой и несотворимой основы всего существующего. С другой стороны, наблюдение пост. изменений в природе приводило к представлению о вечном движении материи как важнейшем её св-ве. С появлением матем. формулировки механики на этой основе появились законы сохранения массы (французский химик А. Лавуазье) и механической энергии (нем. учёный Г. Лейбниц). Затем немецкий учёный Ю. Р. Майер, англ. физик Дж. Джоуль и нем. учёный Г. Гельмгольц экспериментально открыли закон сохранения энергии в немеханич. явлениях. Т. о., к сер. 19 в. оформились законы сохранения массы и энергии, к-рые трактовались как сохранение материи и движения.

В нач. 20 в. оба эти С. з. подверглись коренному пересмотру в связи с появлением спец. теории относительности (см. ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ТЕОРИЯ); при описании движений с. большими (сравнимыми со скоростью света) скоростями классическая (ньютоновская) механика была заменена релятивистской механикой. Оказалось, что масса, определяемая по инерционным св-вам тела, зависит от его скорости и, следовательно, характеризует не только кол-во материи, но и её движение. Понятие энергии также подверглось изменению; полная энергия (?) оказалась пропорц. массе (m), ?=mc2. Т. о., закон сохранения энергии в спец. теории относительности естеств. образом объединил законы сохранения массы и энергии, существовавшие в классич. механике; по отдельности эти законы не выполняются, т. е. невозможно охарактеризовать кол-во материи, не принимая во внимание её движения и вз-ствий.

Эволюция закона сохранения энергии показывает, что С. з., будучи почерпнутыми из опыта, нуждаются время от времени в эксперим. проверке и уточнении. Нельзя быть уверенным, что с расширением пределов человеческого опыта данный закон или его конкретная формулировка останутся справедливыми. Закон сохранения энергии интересен ещё и тем, что в нём теснейшим образом переплелись физика и философия. Этот закон, всё более уточняясь, постепенно превратился из неопределённого и абстрактного философского высказывания в точную количеств. ф-лу. Другие С. з. возникли сразу в количеств. формулировке. В совр. физике С. з.— необходимая составная часть её рабочего аппарата.

Большую роль С. з. играют в квант. теории, в частности в теории элем. ч-ц. С. з. определяют отбора правила, согласно к-рым реакции с элем. ч-цами, к-рые привели бы к нарушению С. з., не могут осуществляться в природе. В дополнение к перечисленным С. з., имеющимся в физике макроскопич. тел, в теории элем. ч-ц, возникло много специфич. С. з., позволяющих интерпретировать наблюдаемые на опыте правила отбора. Таков, напр., закон сохранения барионного заряда, выполняющийся во всех видах вз-ствий. Существуют и приближённые С. з., выполняющиеся в одних процессах и нарушающиеся в других. Такие С. з. имеют смысл, если можно указать класс процессов, в к-рых они выполняются. Напр., законы сохранения странности, изотопич. спина (см. ИЗОТОПИЧЕСКАЯ ИНВАРИАНТНОСТЬ), чётности строго выполняются в процессах, протекающих за счёт сильного взаимодействия, но нарушаются в процессах слабого взаимодействия. Эл.-магн. вз-ствие нарушает закон сохранения изотопич. спина. Т. о., исследования элем. ч-ц вновь напомнили о необходимости проверять существующие С. з. в каждой области явлений. Так, считавшийся абсолютно строгим закон сохранения барионного заряда на основании теор. аргументов подвергается сомнению. Проводятся сложные эксперименты, имеющие целью обнаружить возможные слабые нарушения этого закона (распад протона).

С. з. тесно связаны со св-вами симметрии физ. систем. При этом симметрия понимается как инвариантность физ. законов относительно нек-рой группы преобразований входящих в них величин. Наличие симметрии приводит к тому, что для данной системы существует сохраняющаяся физ. величина (см. НЁТЕР ТЕОРЕМА). Т. о., если известны св-ва симметрии системы, как правило, можно найти для неё С. з., и наоборот.

Как отмечалось, законы сохранения энергии, импульса, момента обладают всеобщностью. Это связано с тем, что соответствующие симметрии можно рассматривать как симметрии пространства-времени (мира), в к-ром движутся матер. тела. Так, сохранение энергии связано с однородностью времени, т. е. с инвариантностью физ. законов относительно изменения начала отсчёта времени. Сохранение импульса и момента кол-ва движения связано соотв. с однородностью пр-ва (инвариантность относительно пространств. сдвигов) и изотропностью пр-ва (инвариантность относительно вращений пр-ва). Поэтому проверка механич. С. з. есть проверка соответствующих фундам. св-в пространства-времени. Долгое время считалось, что, кроме перечисленных элементов симметрии, пространство-время обладает зеркальной симметрией, т. е. инвариантно относительно пространственной инверсии. Тогда должна была бы сохраняться пространств. чётность. Однако в 1957 было экспериментально обнаружено несохранение чётности в слабом вз-ствии, поставившее вопрос о пересмотре взглядов на глубокие св-ва геометрии мира.

В связи с развитием теории тяготения намечается дальнейший пересмотр взглядов на симметрии пространства-времени и фундам. С. з. (в частности, на законы сохранения энергии и импульса).

СОХРАНЕНИЯ ЗАКОНЫ

- физ. закономерности, согласно к-рым численныезначения нек-рых физ. величин не изменяются со временем в любых процессахили в определ. классе процессов. Полное описание физ. системы возможнолишь в рамках динамич. законов, к-рые детально определяют изменение состояниясистемы с течением времени. Однако во мн. случаях динамич. закон для даннойсистемы неизвестен или слишком сложен. В такой ситуации С. з. позволяютсделать нек-рые заключения о характере поведения системы. Важнейшими С. з., справедливыми для любых изолиров. систем, являются законы сохраненияэнергии, импульса, угл. момента, электрич. заряда. Кроме всеобщих существуютС. з., справедливые лишь для огранич. классов систем и явлений.

Большую роль С. з. играют в квантовой теории, в частности в теории элементарныхчастиц. С. з. определяют отбора правила, согласно к-рым реакциис частицами, к-рые привели бы к нарушению С. з., не могут осуществлятьсяв природе. В дополнение к перечисленным С. з., имеющимся и в физике макроскопич. тел, в теории элементарных частиц возникло много специфич. С. з., позволяющихинтерпретировать наблюдаемые на опыте правила отбора. Таков, напр., законсохранения барионного числа, выполняющийся с очень высокой точностьюво всех видах фундам. взаимодействий. Существуют и приближённые С. з.,выполняющиеся в одних процессах и нарушающиеся в других. Такие С. з. имеютсмысл, если можно указать класс процессов, в к-рых они выполняются. Напр.,законы сохранения странности, изотопического спина, пространственной чётности строго выполняются в процессах, протекающих за счёт сильноговзаимодействия, но нарушаются в процессах слабого взаимодействия. Эл.-магн. взаимодействие нарушает закон сохранения изотопич. спина. Т. о., исследования элементарных частиц вновь напомнили о необходимостипроверять существующие С. з. в каждой области явлений. Так, считавшийсяабсолютно строгим закон сохранения барионного числа на основании теоретич. аргументов подвергается сомнению. Проводятся сложные эксперименты, имеющиецелью обнаружить возможные слабые нарушения этого закона.

С. з. тесно связаны со свойствами симметрии физ. систем. Приэтом симметрия понимается как инвариантность физ. законов относительнонек-рой группы преобразований входящих в них величин. Наличие симметрииприводит к тому, что для данной системы существует сохраняющаяся физ. величина(см. Нётер теорема). Т. о., если известны свойства симметрии системы, можно найти для неё законы сохранения, и наоборот.

Как отмечалось, законы сохранения энергии, импульса, угл. момента обладаютвсеобщностью. Это обусловлено тем, что соответствующие симметрии можнорассматривать как симметрии пространства-времени (мира), в к-ром движутсяматериальные тела. Так, сохранение энергии связано с однородностью времени, т. е. с инвариантностью физ. законов относительно изменения начала отсчётавремени; сохранение импульса и момента связаны соответственно с однородностьюпространства (инвариантность относительно пространственных сдвигов) и изотропностьюпространства (инвариантность относительно вращений пространства). Поэтомупроверка механич. С. з. есть проверка соответствующих фундам. свойств пространства-времени. Долгое время считалось, что кроме перечисленных элементов симметрии пространство-времяобладает зеркальной симметрией, т. е. инвариантно относительно пространственнойинверсии. Тогда должна была бы сохраняться пространственная чётность. Однако в 1957 было экспериментально обнаружено несохранение чётности вслабом взаимодействии, поставившее вопрос о пересмотре взглядов на глубокиесвойства геометрии мира.

В связи с развитием теории гравитации (см. Тяготение )намечаетсядальнейший пересмотр взглядов на симметрии пространства-времени и фундаментальныеС. з. (в частности, на законы сохранения энергии и пульса).

Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Механика, 4 изд., М., 1988;Фейнман Р., Характер физических законов, пер. с англ., М., 1968; В и гн е р Е., Этюды о симметрии, пер. с англ., М., 1971. М. В. Менский.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.