СОХРАНЕНИЯ ЗАКОНЫ

СОХРАНЕНИЯ ЗАКОНЫ, физ. закономерности, согласно которым численные значения нек-рых физ. величин не изменяются со временем в любых процессах или в определённом классе процессов. Полное описание физ. системы возможно лишь в рамках динамич. законов, к-рые детально определяют эволюцию системы с течением времени. Однако во многих случаях динамич. закон для данной системы неизвестен или слишком сложен. В такой ситуации С. з. позволяют сделать нек-рые заключения о характере поведения системы. Важнейшими С. з., справедливыми для любых изолированных систем, являются законы сохранения энергии, количества движения (импульса), момента количества движения и электрич. заряда. Кроме всеобщих, существуют С. з., справедливые лишь для ограниченных 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 (Анаксагор, Эмпедокл, Демокрит, Эпикур, Лукреций). С другой стороны, наблюдение постоянных изменений в природе приводило к представлению о вечном движении материи как важнейшем её свойстве (Фалес, Анаксимандр, Анаксимен, Гераклит Эфесский, Левкипп, Демокрит). С появлением математич. формулировки механики на этой основе появились законы сохранения массы

(M. В. Ломоносов, А. Лавуазье) и механич. энергии (Г. Лейбниц). Затем Ю. P. Майером, Дж. Джоулеми Г. Гелъмголъцем был экспериментально открыт закон сохранения энергии в немеханич. явлениях. T. о., к сер. 19 в. оформились законы сохранения массы и энергии, к-рые трактовались как сохранение материи и движения.

Однако в нач. 20 в. оба эти С. з. подверглись коренному пересмотру в связи с появлением спец. теории относительности (см. Относительности теория), к-рая заменила классическую, ньютоновскую, механику при описании движений с большими (сравнимыми со скоростью света) скоростями. Оказалось, что масса, определяемая по инерционным свойствам тела, зависит от его скорости и, следовательно, характеризует не только количество материи, но и её движение. С другой стороны, и понятие энергии подверглось изменению: полная энергия (Я) оказалась пропорциональной массе (т), согласно известному соотношению Эйнштейна Е = тс² (с - скорость света). T. о., закон сохранения энергии в специальной теории относительности естественным образом объединил законы сохранения массы и энергии, существовавшие в классич. механике; по отдельности эти законы не выполняются, т. е. невозможно охарактеризовать количество материи, не принимая во внимание её движения.

Эволюция закона сохранения энергии показывает, что С. з., будучи почерпнуты из опыта, нуждаются время от времени в экспериментальной проверке и уточнении. Нельзя быть уверенным, что данный закон или его конкретная формулировка останутся справедливыми всегда, несмотря на расширение пределов человеческого опыта. 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 количественную формулу. Другие С. з. возникали сразу в количественной формулировке. Таковы законы сохранения импульса, момента количества движения, электрич. заряда, многочисленные законы сохранения в теории элементарных частиц. В совр. физике С. з.- необходимая составная часть рабочего аппарата.

Большую роль С. з. играют в квантовой теории, в частности в теории элементарных частиц. Напр., С. з. определяют отбора правила, согласно к-рым нек-рые реакции с элементарными частицами (именно те, к-рые привели бы к нарушению С. з.) не могут осуществляться в природе. Кроме С. з., имеющихся и в физике макроскопич. тел (сохранение энергии, импульса, момента, электрич. заряда), в теории элементарных частиц возникло много специфич. С. з., позволяющих объяснить экспериментально наблюдаемые правила отбора. Таковы законы сохранения барионного заряда и лептонного заряда, являющиеся точными, т. е. выполняющимися во всех видах взаимодействий, во всех процессах. Кроме точных, в теории элементарных частиц существуют и приближённые С. з., выполняющиеся в одних процессах и нарушающиеся в других. Такие С. з. имеют смысл, если можно точно указать класс процессов и явлений, в к-рых они выполняются. Примером приближённых С. з. являются законы сохранения странности (или гиперзаряда), изотопического спина (см. Изотопическая инвариантность), чётности. Все эти законы строго выполняются в процессах, протекающих за счёт сильных взаимодействий (с характерным временем 10~²³- 10~²⁴ сек), но нарушаются в процессах слабых взаимодействий (характерное время к-рых примерно 10~¹⁰сек). Электромагнитные взаимодействия нарушают закон сохранения изотопического спина. T. о., исследования элементарных частиц вновь напомнили о необходимости проверять существующие С. з. в каждой области явлений.

С. з. тесно связаны со свойствами симметрии физ. систем. При этом симметрия понимается как инвариантность физ. законов относительно нек-рых преобразований входящих в них величин (см. Симметрия в физике). Наличие симметрии приводит к тому, что для данной системы существует сохраняющаяся физ. величина (см. Нетер теорема). T. о., если известны свойства симметрии системы, можно найти для неё законы сохранения, и наоборот.

Как уже было сказано, С. з. механич. величин (энергии, импульса, момента) обладают всеобщностью. Это связано с тем, что соответствующие симметрии можно рассматривать как симметрии пространства-времени (мира), в к-ром движутся материальные тела. Так, сохранение энергии связано с однородностью времени, т. е. с инвариантностью физ. законов относительно изменения начала отсчёта времени (сдвигов во времени). Сохранение импульса и момента количества движения связано соответственно с однородностью пространства (инвариантность относительно пространственных сдвигов) и изотропностью пространства (инвариантность относительно вращений пространства). Поэтому проверка механич. С. з. есть проверка соответствующих фундаментальных свойств 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 пространственная чётность. Однако в 1957 было экспериментально обнаружено несохранение четности в слабых взаимодействиях, поставившее вопрос о пересмотре взглядов на глубокие свойства геометрии мира.

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