ЗМІСТ
ВСТУП. 3
1. ІЄРАРХІЯ ПРИРОДНО НАУКОВИХ ЗАКОНІВ .. 4
2. ЗАКОНИ ЗБЕРЕЖЕННЯ .. 6
3. ЗВ'ЯЗОК ЗАКОНІВ ЗБЕРЕЖЕННЯ З симетрії системи .. 13
ВИСНОВОК. 16
ЛІТЕРАТУРА .. 17
Закони збереження займають серед усіх законів природи особливе місце. Спільність і універсальність законів збереження визначають їх велике наукове, методологічне і філософське значення. Вони є основою найважливіших розрахунків фізики та її технічних додатках, дозволяють у ряді випадків пророкувати ефекти і явища при дослідженні різноманітних фізико-хімічних систем і процесів.
Закони збереження служать підставою будь-якої спільної фізичної теорії. Несуперечність теорії цим законам служить переконливий
У законах збереження знаходять своє відображення найважливіший діалектико-матеріалістичний принцип незнищенності матерії і руху, взаємозв'язок між різними формами рухомої матерії і специфіка перетворення однієї форми руху в іншу.
Значення законів збереження виявляється на фоні розвитку загальної ідеї збереження. Відкриття та узагальнення законів збереження відбувалося разом з розвитком всієї фізики, від перших теорій античних філософів через класичну механіку і електродинаміку до теорії відносності, квантової механіки і фізики елементарних частинок.
Емпіричні закони є найбільш численним класом. Вони формулюються в результаті узагальнення результатів експериментальних спостережень і вимірювань. Часто ці закони записуються у вигляді аналітичних виразів, носять досить простий, але наближений характер. Область застосування цих законів виявляється досить вузькою. При бажанні збільшити точність або розширити область застосування математичні формули, що описують такі закони, що істотно ускладнюються. Прикладами емпіричних законів можуть служити закон Гука (при невеликих деформаціях тел виникають сили, приблизно пропорційні величині деформації), закон валентності (у більшості випадків атоми об'єднуються в хімічні з'єднання згідно з їх валентності, визначеним становищем у Періодичної таблиці елементів), деякі приватні закони спадковості (наприклад сибірські коти з блакитними очима зазвичай від народження глухі). На ранніх етапах розвитку природних наук в основному йшов шляхом накопичення таких законів. З часом їх кількість зросла настільки, що постало питання про знаходження нових законів, що дозволяють описати емпіричні в більш компактній формі.
Фундаментальні закони являють собою досить абстрактні формулювання, що безпосередньо не є наслідком експериментів. Зазвичай фундаментальні закони «вгадуються», а не виводяться з емпіричних. Кількість таких законів вельми обмежена (наприклад класична механіка містить у собі лише 4 фундаментальних закони: закони Ньютона і закон Всесвітнього тяжіння). Численні емпіричні закони є наслідками (іноді зовсім не очевидними) фундаментальних. Критерієм істинності останніх є відповідність конкретних наслідків експериментальним спостереженням. Всі відомі на сьогоднішній день фундаментальні закони описуються досить простими і витонченими математичними виразами, «не погіршуються» при уточнень. Незважаючи на удаваний абсолютний характер, область застосування фундаментальних законів так само обмежена. Ця обмеженість не пов'язана з математичними неточностями, а має більш фундаментальний характер: при виході з області застосування фундаментального закони починають втрачати сенс самі поняття, що використовуються у формулюваннях.
Обмеженість застосування фундаментальних законів природно призводить до питання про існування ще більш загальних законів. Такими є закони збереження. Наявний досвід розвитку природознавства показує, що закони збереження не втрачають свого сенсу при заміні однієї системи фундаментальних законів іншої. Це властивість тепер використовується як евристичний принцип, що дозволяє апріорно відбирати «життєздатні» фундаментальні закони при побудові нових теорій. У більшості випадків закони збереження не здатні дати настільки повного опису явищ, яке дають фундаментальні закони, а лише накладають певні заборони на реалізацію тих чи інших станів при еволюції системи.
Кожній матеріальної точки з масою m, що рухається зі швидкістю V, приписується векторна характеристика - імпульс, який визначається як добуток маси на швидкість:
.
З законів Ньютона можна показати, що при русі в порожньому просторі імпульс зберігається в часі, а при наявності взаємодії швидкість його зміни визначається сумою прикладених сил:
.
У випадку системи матеріальних точок (сукупністю яких можна вважати будь-який реальний тіло) повний імпульс визначається як векторна сума всіх імпульсів
,
Швидкість зміни повного імпульсу визначається сумою зовнішніх сил, що діють на систему (тобто тільки сил, які описують взаємодію елементів системи з не належать їй об'єктами):
Системи, на які не діють зовнішні сили, називаються замкненими. У них повний імпульс не змінюється в часі. Це властивість знаходить велике практичне застосування, оскільки лежить в основі принципу реактивного руху
В даний час не існує будь-яких експериментальних фактів, що свідчать про невиконання закону збереження імпульсу.
Закон збереження моменту імпульсу. Якщо поняття імпульсу в класичній механіці характеризує поступальний рух тіл, момент імпульсу вводиться для характеристики обертання і є наслідком твердження про те, що властивості навколишнього світу не змінюються при поворотах (або повороті системи відліку) у просторі.
Якщо поняття імпульсу в класичній механіці характеризує поступальний рух тіл, момент імпульсу вводиться для характеристики обертання. У разі матеріальної точки, яка має імпульсом p, положення якої задається радіус-вектором R, її момент імпульсу відносно початку координат дорівнює
(Знаком [,] позначена операція векторного множення, в результаті якої виходить вектор, спрямований у відповідності з правилом правої руки в напрямку, перпендикулярному перемножуваних векторах, числено рівний
). Наприклад, при русі тіла по колу вектор L спрямований уздовж її осі.
Швидкість зміни моменту імпульсу визначається моментом сили (твором сили на «плече»):
.
Очевидно, що момент імпульсу зберігається в часі в разі відсутності сил або за умови дії сил у напрямку R.
Закон збереження моменту імпульсу є наслідком твердження про те, що властивості навколишнього світу не змінюються при поворотах (або повороті системи відліку) у просторі.
Момент імпульсу системи точкових тел L визначається як сума моментів кожної з точок і зберігається в часі за умови рівності нулю моменту зовнішніх сил.
У разі нерівності нулю моменту сили спостерігається дуже «незвичне» з точки зору «здорового глузду» поведінку швидко обертових тіл (їх момент імпульсу спрямований по осі обертання) з поміщеною на вістрі віссю обертання. Такі тіла під дією зовнішніх сил (наприклад, сили тяжіння) замість того, щоб переміщатися в бік дії сили, починають повільно обертатися навколо вістря в перпендикулярній прикладеній силі площині. Незважаючи на те, що подібна поведінка є безпосереднім наслідком законів Ньютона (або ще більш загальних законів збереження та симетрії), цей ефект часто не тільки викликає здивування у осіб, мало знайомих з точними науками, але й дає їм привід міркувати про «хибності сучасного природознавства взагалі і класичної фізики зокрема. Заснований на принципі «... якщо я не розумію теорії або спостережуваного ефекту, то тим гірше для них ...», на жаль до цих пір все ще популярний, хоча вже протягом кількох століть розвивається природознавство демонструє його вельми низьку евристичну ефективність.
ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ ЕНЕРГІЇ Спочатку в механіці були введені кінетична енергія (обумовлена рухом тіла) і потенційна (обумовлена взаємодіями між тілами і залежна від їх розташування в просторі). Конкретне математичний вираз для потенційної енергії визначається взаємодіями між об'єктами. У більшості механічних систем механічна енергія (сума кінетичної і потенційної) зберігається у часі (наприклад у випадку м'яча, пружно вдаряється об підлогу). Однак трапляються й такі системи, в яких механічна енергія змінюється (найчастіше убуває). Для опису цього були введені дисипативні сили (наприклад сили в'язкого і сухого тертя та ін.) Згодом з'ясувалося, що дисипативні сили описують не зникнення або виникнення механічної енергії, а переходи її в інші форми (теплову, електромагнітну, енергію зв'язку і т.д.). Історія розвитку природознавства знає декілька прикладів того, як удаване порушення закону збереження енергії стимулювало пошук раніше невідомих каналів її перетворення, що в результаті призводило до відкриття її нових форм (так, наприклад, «безповоротна» втрата енергії в деяких реакціях за участю елементарних частинок послужила зазначенням на існування ще однієї невідомої раніше елементарної частинки, що згодом отримала назву нейтрино).
Закон збереження енергії має велике практичне значення, оскільки істотно обмежує число можливих каналів еволюції системи без її детального аналізу. Так на підставі цього закону виявляється можливим апріорно відкинути будь-який вельми проект дуже економічно привабливого вічного двигуна першого роду (пристрою, здатного виконувати роботу, що перевершує необхідні для його функціонування витрати енергії).
,
ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ ЗАРЯДУ свідчить, що алгебраїчна сума зарядів електрично замкнутої системи, зберігається.
q 1 + q 2 + q 3 + ... q n = const
Вимога релятивістської інваріантності призводить до того, що закон збереження заряду має локальний характер: зміна заряду в будь-якому наперед заданому обсязі одно потоку заряду через його кордон. У початкової формулюванні був би можливий наступний процес: заряд зникає в одній точці простору і миттєво виникає в іншій. Однак, такий процес був би релятивістськи неінваріантен: через відносності одночасності в деяких системах відліку заряд з'явився б у новому місці до того, як зник у попередньому, а в деяких - заряд з'явився б у новому місці через деякий час після зникнення в попередньому. Тобто був би відрізок часу, протягом якого заряд не зберігається. Вимога локальності дозволяє записати закон збереження заряду в диференціальній та інтегральній формі.
Закон збереження заряду в інтегральній формі
Згадаймо, що щільність потоку електричного заряду є просто щільність струму. Той факт, що зміна заряду в обсязі одно повному струму через поверхню можна записати в математичній формі:
Тут Ω - деяка довільна область в тривимірному просторі,
- Межа цієї області, ρ - щільність заряду, 
- Щільність струму (щільність потоку електричного заряду) через кордон.
Закон збереження заряду в диференціальній формі
Переходячи до нескінченно малому об'єму і використовуючи по мірі необхідності теорему Стокса можна переписати закон збереження заряду в локальній диференціальній формі
Закон збереження парності.
Парність, квантовомеханічна характеристика стану фізичної мікрочастинки (молекули, атома, атомного ядра, елементарної частинки), яка відображає властивості симетрії цієї мікрочастинки щодо дзеркальних відображень. У процесах, обумовлених сильними взаємодіями і електромагнітними взаємодіями, має місце закон збереження парності: фізична система, яка мала в початковому стані дзеркальною симетрією певного типу, зберігає цю симетрію в усі наступні моменти часу. Збереження парності призводить до ряду відбору правил в електромагнітному випромінюванні атомів і атомних ядер, в ядерних реакціях і в реакціях взаємоперетворень елементарних частинок.
Закон збереження парності можна продемонструвати на прикладі Зеемана ефекту. При накладенні магнітного поля інтенсивність випромінювання окремих спектральних ліній залишається симетричною відносно площини, перпендикулярної полем, хоч і перестає бути однаковою у всіх напрямках. Випромінювання вздовж поля таке ж, як і в протилежному напрямку. Якщо уявити собі установку для спостереження ефекту Зеємана у вигляді кругового провідника із струмом і зі зразком, вміщеним у центрі кола, то дзеркальна симетрія цієї установки стає очевидною, але лише за умови, що всі елементарні частинки, з яких складається установка, мають дзеркальною симетрією. Т. о., Закон збереження парності грунтується на припущенні, що електрони, протони та інші частинки переходять в себе при дзеркальному відображенні.
Замість дзеркальної симетрії відносно площини зручніше розглядати операцію інверсії координатних осей, r? -R (або х?-Х, у?-У, z?-Z).
Законом збереження парності визначаються трансформаційні властивості фізичних величин при інверсії координатних осей. Так, з припущення про те, що заряджена частинка, наприклад електрон, при інверсії переходить сама в себе, випливає, що електричний заряд q є скаляр, щільність струму j і напруженість електричного поля Е - істинні (полярні) вектори, а напруженість магнітного поля Н - аксіальний вектор (Псевдовектор): q? q ', j? -J ', Е? -Е ', Н? Н '.
Закони збереження є результатом узагальнення експериментальних спостережень. Частина з них була відкрита в результаті того, що реакції або розпади, дозволені всіма раніше відомими законами збереження, не спостерігалися або виявлялися сильно пригніченими. Так були відкриті закони збереження баріонного, лептонних зарядів, дива, Чармен та ін
Встановлено, що кожен закон збереження пов'язаний з якою-небудь симетрією в навколишньому світі (теорема Нетер). Так закони збереження енергії та імпульсу пов'язані з однорідністю часу і простору. Закон збереження моменту кількості руху пов'язаний з симетрією простору щодо обертань. Закони збереження зарядів пов'язані з симетрією фізичних законів щодо спеціальних перетворень, що описують частинки.
Інформація про те, які величини зберігаються в різних взаємодіях, наведена в таблиці. Знак «+» («-») показує, що дана величина зберігається (не зберігається). У адитивних законах зберігається сума величин, в мультиплікативних законах - твір величин, які можуть бути рівні +1 або -1.
У результаті дії законів збереження, протон і антипротон - стабільні частки, тому що є найлегшими частинками, мають баріонів заряди B = 1 і B = -1 відповідно. Стабільними частками є також електрон і позитрон, тому що це найлегші частки, що мають електричний заряд Q = -1 і Q = 1 відповідно. Також є стабільними частками нейтрино і антинейтрино, тому що це найлегші носії лептонних зарядів Le,
, 
.
Протягом тисячоліть у ході суспільної практики і пізнання законів об'єктивної дійсності людство накопичило численні дані, що свідчать про наявність в навколишньому світі двох тенденцій: з одного боку, до суворої впорядкованості, гармонії, а з іншого - до їх порушення. Люди давно звернули увагу на правильність форми кристалів, квітів, бджолиних сот і інших природних об'єктів і відтворювали цю пропорційність у творах мистецтва, у створюваних ними предметах, ввели поняття симетрія. «Симетрія, - пише відомий вчений Дж. Ньюмен, - встановлює забавне н дивовижне спорідненість між предметами, явищами і теоріями, зовні, здавалося б, нічим не пов'язаними: земним магнетизмом, жіночої вуаллю, поляризованим світлом, природним відбором, теорією груп, інваріантами і перетвореннями, робочими звичками бджіл у вулику. будовою простору, малюнками ваз, квантовою фізикою, скарабеями, пелюстками квітів, інтерференційної картиною рентгенівських променів, поділом клітин морських їжаків, рівноважними конфігураціями кристалів, романськими соборами, сніжинками, музикою, теорією відносності ...».
Слово «симетрія» має два значення. В одному сенсі симетричне означає щось дуже пропорційне, збалансоване; симетрія показує той спосіб узгодження багатьох частин, за допомогою якого вони об'єднуються в ціле.
Другий зміст цього слова - рівновага. Ще Аристотель говорив про симетрії як про такий стан, що характеризується співвідношенням крайнощів.
Характерно, що до найбільш цікавих результатів наука приходила саме тоді, коли встановлювала факти порушення симетрії. Наслідки, що випливають з принципу симетрії, інтенсивно розроблялися фізикам у минулому столітті і призвели до ряду важливих результатів. Такими наслідками законів симетрії є насамперед закони збереження класичної фізики.
Поняття симетрії і асиметрії, якими користуються в приватних науках, далеко не повно відображають існуючу в реальному світі симетрію і асиметрію; вони розвиваються і збагачуються. Як показує історія науки, це поняття, за допомогою яких можна пояснити багато явищ і пророкувати існування нових, ще не пізнаних властивостей природи.
Симетрія - це категорія, що позначає процес існування та становлення тотожних моментів, в певних умовах і в певних відносинах між різними і протилежними станами явищ світу.
З даного визначення поняття симетрії виникають такі методологічні вимоги: при вивченні явища, події, стану рухомої матерії перш за все необхідно встановити властиві їм відмінності і протилежності, потім вже розкрити, що в ньому є тотожного і за яких умов і в яких відносинах це тотожне виникає, існує і зникає. Звідси випливають і деякі загальні правила для формулювання наших гіпотез (це правило часто відносять до наукової інтуїції). Якщо встановлено існування якогось явища, стану або якихось їхніх властивостей і параметрів, то необхідно припускати й існування протилежних явищ, протилежних властивостей і параметрів; у свою чергу, необхідно далі постулювати, що між протилежними умовами в якихось відносинах і умовах виникають і існують тотожні моменти. У цих двох правилах і виражається в загальному вигляді застосування поняття симетрії в конкретних дослідженнях.
Відповідь на природне запитання про те, чому справедливі закони збереження в фізиці був знайдений порівняно недавно. Закони збереження виникають в системах за наявності у них певних елементів симетрії.
Глобальні закони збереження пов'язані з існуванням таких перетворень, які залишають незмінними будь-яку систему. До них відносяться:
- Закон збереження енергії, що є наслідком симетрії відносно зсуву в часі (однорідності часу).
- Закон збереження імпульсу, що є наслідком симетрії щодо паралельного переносу в просторі (однорідності простору).
- Закон збереження моменту імпульсу, що є наслідком симетрії щодо поворотів у просторі (ізотропності простору).
- Закон збереження заряду, що є наслідком симетрії щодо заміни описують систему комплексних параметрів на їх комплексно зв'язані значення.
- Закон збереження парності, що є наслідком симетрії відносно операції інверсії («відображення в дзеркалі», що змінює «право» на «ліво»).
- Закон збереження ентропії, що є наслідком симетрії щодо звернення часу.
Принципово важливою є зв'язок законів збереження мікросвіту до принципів симетрії. Та обставина, що при цьому деякі закони збереження виявляються наближеними, пов'язане, мабуть, з неповнотою наших знань властивостей симетрії на субмикроскопической рівні. Зв'язок законів збереження з властивостями симетрії була відкрита на всіх структурних рівнях матерії, починаючи з макротіл і закінчуючи елементарними частинками.
2. Дубніщева Т.Я. Концепції сучасного природознавства. - К.: ЮКЕА, 1997.
3. Грядовой Д.І. Концепції сучасного природознавства. Структурний курс основ природознавства. - М.: Учпедгиз, 1999.
4. Концепції сучасного природознавства. / Під ред. проф. С.А. Самигіна, 2-е вид. - Ростов н / Д: «Фенікс», 1999.
ВСТУП. 3
1. ІЄРАРХІЯ ПРИРОДНО НАУКОВИХ ЗАКОНІВ .. 4
2. ЗАКОНИ ЗБЕРЕЖЕННЯ .. 6
3. ЗВ'ЯЗОК ЗАКОНІВ ЗБЕРЕЖЕННЯ З симетрії системи .. 13
ВИСНОВОК. 16
ЛІТЕРАТУРА .. 17
ВСТУП
Закони збереження - фундаментальні фізичні закони, згідно з якими при певних умовах деякі фізичні величини не змінюються з плином часу.Закони збереження займають серед усіх законів природи особливе місце. Спільність і універсальність законів збереження визначають їх велике наукове, методологічне і філософське значення. Вони є основою найважливіших розрахунків фізики та її технічних додатках, дозволяють у ряді випадків пророкувати ефекти і явища при дослідженні різноманітних фізико-хімічних систем і процесів.
Закони збереження служать підставою будь-якої спільної фізичної теорії. Несуперечність теорії цим законам служить переконливий
У законах збереження знаходять своє відображення найважливіший діалектико-матеріалістичний принцип незнищенності матерії і руху, взаємозв'язок між різними формами рухомої матерії і специфіка перетворення однієї форми руху в іншу.
Значення законів збереження виявляється на фоні розвитку загальної ідеї збереження. Відкриття та узагальнення законів збереження відбувалося разом з розвитком всієї фізики, від перших теорій античних філософів через класичну механіку і електродинаміку до теорії відносності, квантової механіки і фізики елементарних частинок.
1. ІЄРАРХІЯ ПРИРОДНО НАУКОВИХ ЗАКОНІВ
Кількість законів природи, сформульованих в природних науках до теперішнього часу, дуже велике.Емпіричні закони є найбільш численним класом. Вони формулюються в результаті узагальнення результатів експериментальних спостережень і вимірювань. Часто ці закони записуються у вигляді аналітичних виразів, носять досить простий, але наближений характер. Область застосування цих законів виявляється досить вузькою. При бажанні збільшити точність або розширити область застосування математичні формули, що описують такі закони, що істотно ускладнюються. Прикладами емпіричних законів можуть служити закон Гука (при невеликих деформаціях тел виникають сили, приблизно пропорційні величині деформації), закон валентності (у більшості випадків атоми об'єднуються в хімічні з'єднання згідно з їх валентності, визначеним становищем у Періодичної таблиці елементів), деякі приватні закони спадковості (наприклад сибірські коти з блакитними очима зазвичай від народження глухі). На ранніх етапах розвитку природних наук в основному йшов шляхом накопичення таких законів. З часом їх кількість зросла настільки, що постало питання про знаходження нових законів, що дозволяють описати емпіричні в більш компактній формі.
Фундаментальні закони являють собою досить абстрактні формулювання, що безпосередньо не є наслідком експериментів. Зазвичай фундаментальні закони «вгадуються», а не виводяться з емпіричних. Кількість таких законів вельми обмежена (наприклад класична механіка містить у собі лише 4 фундаментальних закони: закони Ньютона і закон Всесвітнього тяжіння). Численні емпіричні закони є наслідками (іноді зовсім не очевидними) фундаментальних. Критерієм істинності останніх є відповідність конкретних наслідків експериментальним спостереженням. Всі відомі на сьогоднішній день фундаментальні закони описуються досить простими і витонченими математичними виразами, «не погіршуються» при уточнень. Незважаючи на удаваний абсолютний характер, область застосування фундаментальних законів так само обмежена. Ця обмеженість не пов'язана з математичними неточностями, а має більш фундаментальний характер: при виході з області застосування фундаментального закони починають втрачати сенс самі поняття, що використовуються у формулюваннях.
Обмеженість застосування фундаментальних законів природно призводить до питання про існування ще більш загальних законів. Такими є закони збереження. Наявний досвід розвитку природознавства показує, що закони збереження не втрачають свого сенсу при заміні однієї системи фундаментальних законів іншої. Це властивість тепер використовується як евристичний принцип, що дозволяє апріорно відбирати «життєздатні» фундаментальні закони при побудові нових теорій. У більшості випадків закони збереження не здатні дати настільки повного опису явищ, яке дають фундаментальні закони, а лише накладають певні заборони на реалізацію тих чи інших станів при еволюції системи.
2. ЗАКОНИ ЗБЕРЕЖЕННЯ
ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ ІМПУЛЬСУ. З законів Ньютона можна показати, що при русі в порожньому просторі імпульс зберігається в часі, а при наявності взаємодії швидкість його зміни визначається сумою прикладених сил. У класичній механіці закон збереження імпульсу зазвичай виводиться як наслідок законів Ньютона. Однак, цей закон збереження вірний і у випадках, коли Ньютонівська механіка непридатна (релятивістська фізика, квантова механіка). Як зазначалося, він може бути отриманий як наслідок інтуїтивно-вірного твердження про те, що властивості нашого світу не зміняться, якщо всі його об'єкти (або початок відліку!) Перемістити на деякий вектор L.Кожній матеріальної точки з масою m, що рухається зі швидкістю V, приписується векторна характеристика - імпульс, який визначається як добуток маси на швидкість:
З законів Ньютона можна показати, що при русі в порожньому просторі імпульс зберігається в часі, а при наявності взаємодії швидкість його зміни визначається сумою прикладених сил:
У випадку системи матеріальних точок (сукупністю яких можна вважати будь-який реальний тіло) повний імпульс визначається як векторна сума всіх імпульсів
Швидкість зміни повного імпульсу визначається сумою зовнішніх сил, що діють на систему (тобто тільки сил, які описують взаємодію елементів системи з не належать їй об'єктами):
Системи, на які не діють зовнішні сили, називаються замкненими. У них повний імпульс не змінюється в часі. Це властивість знаходить велике практичне застосування, оскільки лежить в основі принципу реактивного руху
В даний час не існує будь-яких експериментальних фактів, що свідчать про невиконання закону збереження імпульсу.
Закон збереження моменту імпульсу. Якщо поняття імпульсу в класичній механіці характеризує поступальний рух тіл, момент імпульсу вводиться для характеристики обертання і є наслідком твердження про те, що властивості навколишнього світу не змінюються при поворотах (або повороті системи відліку) у просторі.
Якщо поняття імпульсу в класичній механіці характеризує поступальний рух тіл, момент імпульсу вводиться для характеристики обертання. У разі матеріальної точки, яка має імпульсом p, положення якої задається радіус-вектором R, її момент імпульсу відносно початку координат дорівнює
(Знаком [,] позначена операція векторного множення, в результаті якої виходить вектор, спрямований у відповідності з правилом правої руки в напрямку, перпендикулярному перемножуваних векторах, числено рівний
Швидкість зміни моменту імпульсу визначається моментом сили (твором сили на «плече»):
Очевидно, що момент імпульсу зберігається в часі в разі відсутності сил або за умови дії сил у напрямку R.
Закон збереження моменту імпульсу є наслідком твердження про те, що властивості навколишнього світу не змінюються при поворотах (або повороті системи відліку) у просторі.
Момент імпульсу системи точкових тел L визначається як сума моментів кожної з точок і зберігається в часі за умови рівності нулю моменту зовнішніх сил.
У разі нерівності нулю моменту сили спостерігається дуже «незвичне» з точки зору «здорового глузду» поведінку швидко обертових тіл (їх момент імпульсу спрямований по осі обертання) з поміщеною на вістрі віссю обертання. Такі тіла під дією зовнішніх сил (наприклад, сили тяжіння) замість того, щоб переміщатися в бік дії сили, починають повільно обертатися навколо вістря в перпендикулярній прикладеній силі площині. Незважаючи на те, що подібна поведінка є безпосереднім наслідком законів Ньютона (або ще більш загальних законів збереження та симетрії), цей ефект часто не тільки викликає здивування у осіб, мало знайомих з точними науками, але й дає їм привід міркувати про «хибності сучасного природознавства взагалі і класичної фізики зокрема. Заснований на принципі «... якщо я не розумію теорії або спостережуваного ефекту, то тим гірше для них ...», на жаль до цих пір все ще популярний, хоча вже протягом кількох століть розвивається природознавство демонструє його вельми низьку евристичну ефективність.
ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ ЕНЕРГІЇ Спочатку в механіці були введені кінетична енергія (обумовлена рухом тіла) і потенційна (обумовлена взаємодіями між тілами і залежна від їх розташування в просторі). Конкретне математичний вираз для потенційної енергії визначається взаємодіями між об'єктами. У більшості механічних систем механічна енергія (сума кінетичної і потенційної) зберігається у часі (наприклад у випадку м'яча, пружно вдаряється об підлогу). Однак трапляються й такі системи, в яких механічна енергія змінюється (найчастіше убуває). Для опису цього були введені дисипативні сили (наприклад сили в'язкого і сухого тертя та ін.) Згодом з'ясувалося, що дисипативні сили описують не зникнення або виникнення механічної енергії, а переходи її в інші форми (теплову, електромагнітну, енергію зв'язку і т.д.). Історія розвитку природознавства знає декілька прикладів того, як удаване порушення закону збереження енергії стимулювало пошук раніше невідомих каналів її перетворення, що в результаті призводило до відкриття її нових форм (так, наприклад, «безповоротна» втрата енергії в деяких реакціях за участю елементарних частинок послужила зазначенням на існування ще однієї невідомої раніше елементарної частинки, що згодом отримала назву нейтрино).
Закон збереження енергії має велике практичне значення, оскільки істотно обмежує число можливих каналів еволюції системи без її детального аналізу. Так на підставі цього закону виявляється можливим апріорно відкинути будь-який вельми проект дуже економічно привабливого вічного двигуна першого роду (пристрою, здатного виконувати роботу, що перевершує необхідні для його функціонування витрати енергії).
ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ ЗАРЯДУ свідчить, що алгебраїчна сума зарядів електрично замкнутої системи, зберігається.
q 1 + q 2 + q 3 + ... q n = const
Вимога релятивістської інваріантності призводить до того, що закон збереження заряду має локальний характер: зміна заряду в будь-якому наперед заданому обсязі одно потоку заряду через його кордон. У початкової формулюванні був би можливий наступний процес: заряд зникає в одній точці простору і миттєво виникає в іншій. Однак, такий процес був би релятивістськи неінваріантен: через відносності одночасності в деяких системах відліку заряд з'явився б у новому місці до того, як зник у попередньому, а в деяких - заряд з'явився б у новому місці через деякий час після зникнення в попередньому. Тобто був би відрізок часу, протягом якого заряд не зберігається. Вимога локальності дозволяє записати закон збереження заряду в диференціальній та інтегральній формі.
Закон збереження заряду в інтегральній формі
Згадаймо, що щільність потоку електричного заряду є просто щільність струму. Той факт, що зміна заряду в обсязі одно повному струму через поверхню можна записати в математичній формі:
Тут Ω - деяка довільна область в тривимірному просторі,
Закон збереження заряду в диференціальній формі
Переходячи до нескінченно малому об'єму і використовуючи по мірі необхідності теорему Стокса можна переписати закон збереження заряду в локальній диференціальній формі
Закон збереження парності.
Парність, квантовомеханічна характеристика стану фізичної мікрочастинки (молекули, атома, атомного ядра, елементарної частинки), яка відображає властивості симетрії цієї мікрочастинки щодо дзеркальних відображень. У процесах, обумовлених сильними взаємодіями і електромагнітними взаємодіями, має місце закон збереження парності: фізична система, яка мала в початковому стані дзеркальною симетрією певного типу, зберігає цю симетрію в усі наступні моменти часу. Збереження парності призводить до ряду відбору правил в електромагнітному випромінюванні атомів і атомних ядер, в ядерних реакціях і в реакціях взаємоперетворень елементарних частинок.
Закон збереження парності можна продемонструвати на прикладі Зеемана ефекту. При накладенні магнітного поля інтенсивність випромінювання окремих спектральних ліній залишається симетричною відносно площини, перпендикулярної полем, хоч і перестає бути однаковою у всіх напрямках. Випромінювання вздовж поля таке ж, як і в протилежному напрямку. Якщо уявити собі установку для спостереження ефекту Зеємана у вигляді кругового провідника із струмом і зі зразком, вміщеним у центрі кола, то дзеркальна симетрія цієї установки стає очевидною, але лише за умови, що всі елементарні частинки, з яких складається установка, мають дзеркальною симетрією. Т. о., Закон збереження парності грунтується на припущенні, що електрони, протони та інші частинки переходять в себе при дзеркальному відображенні.
Замість дзеркальної симетрії відносно площини зручніше розглядати операцію інверсії координатних осей, r? -R (або х?-Х, у?-У, z?-Z).
Законом збереження парності визначаються трансформаційні властивості фізичних величин при інверсії координатних осей. Так, з припущення про те, що заряджена частинка, наприклад електрон, при інверсії переходить сама в себе, випливає, що електричний заряд q є скаляр, щільність струму j і напруженість електричного поля Е - істинні (полярні) вектори, а напруженість магнітного поля Н - аксіальний вектор (Псевдовектор): q? q ', j? -J ', Е? -Е ', Н? Н '.
Закони збереження є результатом узагальнення експериментальних спостережень. Частина з них була відкрита в результаті того, що реакції або розпади, дозволені всіма раніше відомими законами збереження, не спостерігалися або виявлялися сильно пригніченими. Так були відкриті закони збереження баріонного, лептонних зарядів, дива, Чармен та ін
Встановлено, що кожен закон збереження пов'язаний з якою-небудь симетрією в навколишньому світі (теорема Нетер). Так закони збереження енергії та імпульсу пов'язані з однорідністю часу і простору. Закон збереження моменту кількості руху пов'язаний з симетрією простору щодо обертань. Закони збереження зарядів пов'язані з симетрією фізичних законів щодо спеціальних перетворень, що описують частинки.
Інформація про те, які величини зберігаються в різних взаємодіях, наведена в таблиці. Знак «+» («-») показує, що дана величина зберігається (не зберігається). У адитивних законах зберігається сума величин, в мультиплікативних законах - твір величин, які можуть бути рівні +1 або -1.
У результаті дії законів збереження, протон і антипротон - стабільні частки, тому що є найлегшими частинками, мають баріонів заряди B = 1 і B = -1 відповідно. Стабільними частками є також електрон і позитрон, тому що це найлегші частки, що мають електричний заряд Q = -1 і Q = 1 відповідно. Також є стабільними частками нейтрино і антинейтрино, тому що це найлегші носії лептонних зарядів Le,
3. ЗВ'ЯЗОК ЗАКОНІВ ЗБЕРЕЖЕННЯ З симетрії системи
Одним з важливих відкриттів сучасного природознавства є той факт, що все різноманіття навколишнього нас фізичного світу пов'язане з тим чи іншим порушенням певних видів симетрій. Щоб це твердження стало більш зрозумілим, розглянемо докладніше поняття симетрії.Протягом тисячоліть у ході суспільної практики і пізнання законів об'єктивної дійсності людство накопичило численні дані, що свідчать про наявність в навколишньому світі двох тенденцій: з одного боку, до суворої впорядкованості, гармонії, а з іншого - до їх порушення. Люди давно звернули увагу на правильність форми кристалів, квітів, бджолиних сот і інших природних об'єктів і відтворювали цю пропорційність у творах мистецтва, у створюваних ними предметах, ввели поняття симетрія. «Симетрія, - пише відомий вчений Дж. Ньюмен, - встановлює забавне н дивовижне спорідненість між предметами, явищами і теоріями, зовні, здавалося б, нічим не пов'язаними: земним магнетизмом, жіночої вуаллю, поляризованим світлом, природним відбором, теорією груп, інваріантами і перетвореннями, робочими звичками бджіл у вулику. будовою простору, малюнками ваз, квантовою фізикою, скарабеями, пелюстками квітів, інтерференційної картиною рентгенівських променів, поділом клітин морських їжаків, рівноважними конфігураціями кристалів, романськими соборами, сніжинками, музикою, теорією відносності ...».
Слово «симетрія» має два значення. В одному сенсі симетричне означає щось дуже пропорційне, збалансоване; симетрія показує той спосіб узгодження багатьох частин, за допомогою якого вони об'єднуються в ціле.
Другий зміст цього слова - рівновага. Ще Аристотель говорив про симетрії як про такий стан, що характеризується співвідношенням крайнощів.
Характерно, що до найбільш цікавих результатів наука приходила саме тоді, коли встановлювала факти порушення симетрії. Наслідки, що випливають з принципу симетрії, інтенсивно розроблялися фізикам у минулому столітті і призвели до ряду важливих результатів. Такими наслідками законів симетрії є насамперед закони збереження класичної фізики.
Поняття симетрії і асиметрії, якими користуються в приватних науках, далеко не повно відображають існуючу в реальному світі симетрію і асиметрію; вони розвиваються і збагачуються. Як показує історія науки, це поняття, за допомогою яких можна пояснити багато явищ і пророкувати існування нових, ще не пізнаних властивостей природи.
Симетрія - це категорія, що позначає процес існування та становлення тотожних моментів, в певних умовах і в певних відносинах між різними і протилежними станами явищ світу.
З даного визначення поняття симетрії виникають такі методологічні вимоги: при вивченні явища, події, стану рухомої матерії перш за все необхідно встановити властиві їм відмінності і протилежності, потім вже розкрити, що в ньому є тотожного і за яких умов і в яких відносинах це тотожне виникає, існує і зникає. Звідси випливають і деякі загальні правила для формулювання наших гіпотез (це правило часто відносять до наукової інтуїції). Якщо встановлено існування якогось явища, стану або якихось їхніх властивостей і параметрів, то необхідно припускати й існування протилежних явищ, протилежних властивостей і параметрів; у свою чергу, необхідно далі постулювати, що між протилежними умовами в якихось відносинах і умовах виникають і існують тотожні моменти. У цих двох правилах і виражається в загальному вигляді застосування поняття симетрії в конкретних дослідженнях.
Відповідь на природне запитання про те, чому справедливі закони збереження в фізиці був знайдений порівняно недавно. Закони збереження виникають в системах за наявності у них певних елементів симетрії.
Глобальні закони збереження пов'язані з існуванням таких перетворень, які залишають незмінними будь-яку систему. До них відносяться:
- Закон збереження енергії, що є наслідком симетрії відносно зсуву в часі (однорідності часу).
- Закон збереження імпульсу, що є наслідком симетрії щодо паралельного переносу в просторі (однорідності простору).
- Закон збереження моменту імпульсу, що є наслідком симетрії щодо поворотів у просторі (ізотропності простору).
- Закон збереження заряду, що є наслідком симетрії щодо заміни описують систему комплексних параметрів на їх комплексно зв'язані значення.
- Закон збереження парності, що є наслідком симетрії відносно операції інверсії («відображення в дзеркалі», що змінює «право» на «ліво»).
- Закон збереження ентропії, що є наслідком симетрії щодо звернення часу.
ВИСНОВОК
Закони збереження утворюють той фундамент, на якому грунтується спадкоємність фізичних теорій. Дійсно, розглядаючи еволюцію найважливіших фізичних концепцій у галузі механіки, електродинаміки, теорії теплоти, сучасних фізичних теорій, ми переконувалися в тому, що в цих теоріях незмінно присутні або одні й ті ж класичні закони збереження (енергії, імпульсу та ін), або поряд з ними з'являються нові закони, утворюючи той стрижень, навколо якого і йде тлумачення експериментальних фактів. «Спільність законів збереження у старих і нових теоріях є ще однією формою внутрішньої взаємозв'язку останніх».Принципово важливою є зв'язок законів збереження мікросвіту до принципів симетрії. Та обставина, що при цьому деякі закони збереження виявляються наближеними, пов'язане, мабуть, з неповнотою наших знань властивостей симетрії на субмикроскопической рівні. Зв'язок законів збереження з властивостями симетрії була відкрита на всіх структурних рівнях матерії, починаючи з макротіл і закінчуючи елементарними частинками.
ЛІТЕРАТУРА
1. Дягілєв Ф.М. Концепції сучасного природознавства. - М.: Изд. ІЕМПЕ, 1998.2. Дубніщева Т.Я. Концепції сучасного природознавства. - К.: ЮКЕА, 1997.
3. Грядовой Д.І. Концепції сучасного природознавства. Структурний курс основ природознавства. - М.: Учпедгиз, 1999.
4. Концепції сучасного природознавства. / Під ред. проф. С.А. Самигіна, 2-е вид. - Ростов н / Д: «Фенікс», 1999.