Законы сохранения

Законы сохранения - наиболее фундаментальные законы природы из всех до сих пор известных, они составляют фундамент современного естествознания.

Первым из законов сохранения был открыт закон сохранения энергии. Открытие этого закона - результат обобщения многих экспериментальных данных. До относительно недавнего времени считалось, что законы сохранения индуктивны: их доказательством служит отсутствие отступлений от них в экспериментальной практике человечества. «Доверие физики к принципам сохранения основывается на долгом и не знающем исключений опыте. Законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда оказывались выполненными (с точностью до ошибок измерения) каждый раз, когда они проверялись. Тщательно возведенное здание физической теории было построено на основе этих трех фундаментальных представлений, и ее представления никогда не обманывали наших ожиданий. Поэтому возникла тенденция забыть то обстоятельство, что законы сохранения опираются, в конце концов, на опыт и что возможность их крушения при распространении на новую область физических явлений всегда остается открытой»[66].

Идея закона сохранения энергии принадлежит русскому ученому М.В. Ломоносову (1711-1785), а количественная формулировка - немецким ученым: Ю.Майеру и Г.Гельмгольцу (1821-1894). Закон сохранения энергии можно сформулировать следующим образом: в консервативных[67] системах полная механическая энергия сохраняется.

Без учета различия консервативных и диссипативных систем, т.е. в обобщенном виде, закон сохранения энергии будет равнозначен утверждению о том, что количество энергии во Вселенной постоянно. Или, что то же самое: энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой. В такой форме закон сохранения энергии - универсальная мера всех форм движения и взаимодействия, он одинаково справедлив для мега-, макро- и микромиров.

В 1918 году выдающийся немецкий математик Амалия Эмми Нетер (1882-1935) доказала фундаментальную теорему, которая ныне носит ее имя - теорема Нетер. [68] Суть данной теоремы в доказательстве того, что фундаментальные законы сохранения: энергии, импульса и момента импульса - выводятся из свойств пространства-времени. В результате доказательства этой теоремы стало понятно, что законы сохранения - производны от свойств симметрии пространства-времени.

Симметрия - это инвариантность (неизменность) объекта или процесса, относительно некоторого преобразования (операции). Симметрии носят самый разнообразный характер. Более всего знакомы геометрические симметрии, однако ими разнообразие симметрий далеко не исчерпывается. Существуют негеометрические симметрии, такова, например, симметрия уравнений СТО относительно преобразований Лоренца. В квантовой теории особое значение имеют так называемые калибровочные симметрии. Эти симметрии связаны с неизменностью при изменении уровня, масштаба или значения некоторой физической величины. Так, например, величина напряжения зависит только от разности потенциалов, а не от их абсолютной величины. Различают глобальные и локальные калибровочные симметрии. Объединительные теории связаны с анализом локальных калибровочных симметрий.

Если сдвигать систему отсчета в пространстве на некоторую величину, то описание движение тела будет иметь ту же самую математическую форму - эта симметрия пространства называется его однородностью: в каждой своей точке пространство одинаково. Из однородности пространства следует закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени. Этот закон справедлив для всех уровней материи. Он может быть представлен и в другом виде: количество движения во вселенной постоянно.

Из симметрии относительно направления координатных осей в пространстве (изотропность пространства) вытекает закон сохранения момента импульса. Из симметрии относительно сдвига во времени (однородность времени) вытекает закон сохранения энергии. [69]

Математическим языком, на котором выражаются различного рода симметрии, выступает язык теории групп. Впервые теорию групп разработал французский математик Эварист Галуа (1811-1832), трагически погибший в возрасте 21 года.[70] Теория групп - один из наиболее общих математических формализмов, в котором современная наука решает множество самых различных задач.

Важнейшая функция фундаментальных симметрий, анализируемых в теории групп, - установление структурных связей между законами. Анализ и обобщение законов приводит к более глубокому пониманию сущности данных естественнонаучных законов, позволяет предвидеть новые области явлений. В ряде случаев симметрии и основываемые ими законы сохранения являются важнейшим познавательным средством - таким случаем, в частности, выступают квантовая механика и квантовая хромодинамика.

В этих областях колоссальную роль играют закон сохранения электрического заряда, закон сохранения лептонного заряда, закон сохранения барионного заряда, закон сохранения странности и другие законы сохранения, свойственные микромиру.

Закон сохранения электрического заряда формулируется следующим образом: алгебраическая сумма электрических зарядов в замкнутой системе остается неизменной. Он был открыт в XVIII и XIX столетиях Бенджамином Франклином и Майклом Фарадеем. Электрический заряд появляется только в двух формах – положительной и отрицательной, причем всегда вместе и в равных количествах. Даже исчезнуть два рода электричества порознь не в состоянии, а могут лишь объединиться в незаряженном (электрически нейтральном) веществе. Если электрический заряд измерять в единицах заряда электрона, то окажется, что все частицы обладают или единичным положительным, или единичным отрицательным зарядом, или же они нейтральны. Этот закон в частности объясняет устойчивость электрона. Последний не распадается на другие элементарные частицы, поскольку имеет наименьший в природе электрический заряд.

В области квантовой механики этот закон позволяет уверенно отсекать те процессы, в которых этот закон не будет выполнен. Это значительно сужает поле поиска и наблюдений, а в ряде случаев позволяет судить о неточностях и ошибках экспериментов. В других же случаях этот и другие законы сохранения наводят ученых на мысль о существовании еще неизвестных объектов, дают достаточно полную первоначальную информацию об их свойствах. Так было, например, с открытием частицы нейтрино. Существование этой частицы предположили, чтобы спасти закон сохранения энергии, а свойства ее были рассчитаны из этого и других законов сохранения. В частности, отсутствие у нейтрино электрического заряда - прямое следствие закона сохранения электрического заряда.

В области квантовой механики для характеристики микрообъектов применяют так называемые квантовые числа. Квантовые числа - это последовательности целых или полуцелых чисел, характеризующих то или иное свойство микрообъекта.

Подобно закону сохранения электрического заряда, где сумма (разность) зарядов частиц до и после взаимодействия остается постоянной, существует закон сохранения барионного заряда. [71] В отличие от электрона протон не является наименьшей заряженной частицей. Существует множество более легких частиц с единичным положительным зарядом, например, позитрон.

Чтобы объяснить устойчивость протона Штюкельберг и Вигнер предположили новую сохраняющуюся величину – барионное число. Подобно тому, как существует квант электрического заряда (заряд электрона) существует и квант барионности (барионный заряд). Наименьшим носителем этого кванта и выступает протон, что и гарантирует его от распада. Все более тяжелые частицы могут распадаться на протон (например, лямбда-частица: распадается на протон и пион) и должны иметь тот же самый барионный заряд. Барионное число протона положительно, антипротона – отрицательно. Сумма чисел протона и антипротона равна нулю. Барионное число, таким образом, остается постоянным. В случае процесса аннигиляции протона суммарное барионное число до процесса и после него – нулевое. Единственная сложность, связанная со свойством барионности, состоит в том, что помимо закона сохранения, последнее себя никак не проявляет. Экспериментальная проверка показала отсутствие распада протона в период 10²² лет. Это свидетельствует, что закон сохранения барионного числа выполняется с высокой степенью надежности.

Совершенно аналогично дело обстоит и лептонным зарядом (числом). Количество лептонов до и после процесса всегда сохраняется. Если каждому лептону присвоить лептонное число + 1, а антилептону – 1, то алгебраическая сумма лептонных числел во всех процессах с этими частицами останется неизменной. Закон сохранения лептонного числа оказался выполняющимся во всех исследованных до сих пор случаях.

Закон сохранения странности выполняется только в сильных взаимодействиях. Было замечено, что некоторые частицы ведут себя «странно»: будучи тяжелыми, они должны распадаться в результате сильного взаимодействия за ничтожно малый промежуток времени. В действительности же они распадаются за время во много раз большее по слабому каналу. Эти частицы получили название странных. Свойство странности выражается квантовыми числами и является сохраняющейся величиной для сильных взаимодействий. Слабые взаимодействия могут приводить к изменению странности. Сам закон сохранения странности формулируется следующим образом: в сильных взаимодействиях суммарная странность до и после процесса сохраняется.

Закон сохранения четности также выполняется только в сильных взаимодействиях. Невыполнение этого закона для слабых взаимодействий было открыто в 1956 г. Ли Цзун-дао из Колумбийского университета и Янг Чжень-нин. Принцип четности прост. Он утверждает, что природа не делает различий между левым и правым. Оказалось, что в слабых взаимодействиях это принцип нарушается. Дальнейшие исследования показали, что для слабых взаимодействий нарушается и симметрия между веществом и антивеществом, эта симметрия всегда сохраняется лишь в сильных взаимодействиях.

Принципы или законы сохранения отражают фундаментальные симметрии природы. Эти симметрии могут иметь весьма абстрактный характер, как, например, калибровочные симметрии в теориях объединения. Связь между законами сохранения и симметрическими отношениями, лежащими в их основе, породила мысль, что самыми фундаментальными свойствами природы выступают симметрии. Анализ условий существования симметрий и их нарушения составляет самую глубинную суть современной физики. Однако анализ симметрий представляет собой математическую проблему. В своих основах сливаются не только знание о самом маленьком и самом большом, но и формально математическое и содержательное физическое знания.

Литература основная:

Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник.- Изд. 3-е, перераб. и доп.- М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2007.-704с.

Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник.- Изд.2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2005.- 662с.

Горбачев В.В. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие для студентов вузов/ В.В. Горбачев.- М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003.- 592с.: ил.

Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.

Философия и методология науки: Учеб. пособие для студентов высших учебных заведений/Под ред. В.И.Купцова.- М.: Аспект Пресс, 1996.-551с.

Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.- 520с.

Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/ В.Н. Лавриненко, В.П. Ратников, В.Ф. Голубь и др; Под ред. проф. В.Н. Лавриненко, проф. В.П. Ратникова.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.- 271с.

Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие.- М.: Гардарики, 1999.-476с.

Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие – М.: Высш.шк., 1998. – 383с.

Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции современного естествознания: учебн. Пособие для вузов.- М.: Аспект Пресс, 2001.- 256с.

Кокин А.В. Концепции современного естествознания: Учебное пособие – М.:»Издательство ПРИОР», 1998.- 208с.

Литература дополнительная:

Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Учебник под ред. акад. РАН М.Ф.Жукова.- Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 1997.-832с.

Современные философские проблемы естественных, технических и социально-гуманитарных наук: учебник для аспирантов и соискателей ученой степени кандидата наук / под общ. ред. Д-ра филос. наук, проф. В.В. Миронова. М.: Гардарики, 2006.- 639с.

Грин Брайан Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории: Пер. с англ. / Общ. ред. В. О. Малышенко. — М.: Едиториал УРСС, 2004. — 288 с

Бройль Луи де Революция в физике (новая физика и кванты) / 2-е изд. Пер. с фр. С.п. Бакланова и Л.М. Коврижных, под ред. М.К.Поливанова.- М.: Атомиздат, 1965. – 231с.

Гейзенберг В. У истоков квантовой теории. Сборник.- М.: Тайдекс Ко, 2004. – 400с., с илл.

Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое: Пер. с нем. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989.- 400с.

Каганов М.И. Электроны, фононы, магноны.- М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1979. – 192с.

Григорьев В.И., Мякишев Г.Я. Силы в природе. /4-е изд. Испр.- М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1973.- 415с.

Паркер Б. Мечта Эйнштейна: В поисках единой теории строения Вселенной / Пер. с англ. В.И. и О.И. Мацарских. Под ред. Я.А. Смородинского.- СПб.: Амфора, 2000. – 333с.

Барашенков В.С. Кварки, протоны, Вселенная.- М.: Знание, 1987 (наука и прогресс) – 192с.

Подольный Р.Г. Нечто по имени Ничто. – М.: Знание, 1983.- 192с.- (Жизнь замечательных идей).

Над чем думают физики. Вып 3. Элементарные частицы /Пер. с анг. М.К.Поливанова, Б.М.Степанова и В.А.Белоконя, под. Ред. Б.В.Медведева.- М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1965.- 140 с.

Могилевский Б.М. Природа глазами физика. – М.: Едиториал УРСС, 2004. – 222с.