Глава 2. Фундаментальные физические законы

Законы сохранения физических величин

Законы сохранения физических величин — это утвер­ждения, согласно которым численные значения этих ве­личин не меняются со временем в любых процессах или классах процессов. Фактически во многих случаях за­коны сохранения просто вытекают из принципов сим­метрии.

Идея сохранения появилась сначала как чисто фило­софская догадка о наличии неизменного (стабильного) в вечно меняющемся мире. Еще античные философы-ма­териалисты пришли к понятию материи как неуничто­жимой и несотворимой основы всего сущего. С другой стороны, наблюдение постоянных изменений в природе приводило к представлению о вечном движении мате­рии как важном ее свойстве. С появлением математичес­кой формулировки механики на этой основе появились законы сохранения.

Законы сохранения тесно связаны со свойствами сим­метрии физических систем. При этом симметрия пони­мается как инвариантность физических законов относи­тельно некоторой группы преобразований входящих в них величин. Наличие симметрии приводит к тому, что для данной системы существует сохраняющаяся физическая величина. Если известны свойства симметрии системы, как правило, можно найти для нее закон сохранения и наоборот.

Таким образом, законы сохранения:

1. Представляют наиболее общую форму детерминизма.

2. Подтверждают структурное единство материального мира.

3. Позволяют сделать заключение о характере поведе­ния системы.

4. Обнаруживают существование глубокой связи между разнообразными формами движения материи. Важнейшими законами сохранения, справедливыми для любых изолированных систем, являются:

■ закон сохранения и превращения энергии;

■ закон сохранения импульса;

■ закон сохранения электрического заряда;

■ закон сохранения массы.

Кроме всеобщих существуют законы сохранения, спра­ведливые лишь для ограниченного класса систем и явле­ний. Так, например, существуют законы сохранения, дей­ствующие только в микромире. Это:

■ закон сохранения барионного или ядерного заряда;

■ закон сохранения лептонного заряда;

■ закон сохранения изотопического спина;

■ закон сохранения странности.

В современной физике обнаружена определенная иерархия законов сохранения и принципов симметрии. Одни из этих принципов выполняются при любых взаи­модействиях, другие же — только при сильных. Эта иерар­хия отчетливо проявляется во внутренних принципах симметрии, которые действуют в микромире.

Рассмотрим важнейшие законы сохранения.

Закон сохранения массы

Бесконечно разнообразны превращения, изменения вещества в природе. Исследователей волновал вопрос: сохраняется ли вещество при этих изменениях? Каждому из нас приходилось наблюдать, как со временем изна­шивается, уменьшается в размерах любая вещь, даже стальная. Но значит ли это, что мельчайшие частички металла исчезают бесследно? Нет, они только теряются, разлетаются в разные стороны, выбрасываются с сором, улетают, создавая пыль.

В природе происходят и иные превращения. Вы, на­пример, курите сигарету. Проходит несколько минут — и от табака ничего не остается, не считая маленькой куч­ки пепла и легкого голубоватого дыма, рассеявшегося в воздухе. Или, например, горит свеча. Постепенно она становится все меньше и меньше. Здесь не остается даже пепла. Сгорая без остатка, свеча и то, из чего она состо­ит, испытывают химическое превращение вещества. Частицы табака и свеча не разлетаются в стороны не теря­ются постепенно в разных местах. Они сгорают и внеш­не пропадают бесследно.

Наблюдая природу, люди давно обратили внимание и на другие явления, когда вещество как бы возникает из «ничего». Так, например, из маленького семени вы­растает в цветочном горшке большое растение, а вес земли, заключенной в горшке, остается почти прежним. Может ли в действительности что-то существующее в мире исчезнуть или, наоборот, появиться из ничего? Иными словами — уничтожима или неуничтожима ма­терия, из которой строится все многообразие нашего мира?

За 2400 лет до н. э. знаменитый философ Древней Греции Демокрит писал, что: «Из ничего ничто произойти не может, ничто существующее не может быть уничтожимо».

Значительно позже, в XVI—XVII вв. эта мысль возро­дилась и высказывалась уже многими учеными. Однако такие высказывания были лишь догадкой, а не научной теорией, подтвержденной опытами. Впервые доказал и подтвердил это положение опытом великий русский уче­ный М.В. Ломоносов.

Ломоносов был твердо убежден в неуничтожимости материи, в том, что в мире ничто не может исчезнуть бесследно. При любых изменениях веществ, химических взаимодействиях — соединяются ли простые тела, обра­зуя сложные, или, наоборот, сложные тела разлагаются на отдельные химические элементы — общее количество вещества остается неизменным. Другими словами, при всех изменениях должен оставаться неизменным общий вес вещества. Пусть в результате какой-либо реакции исчезают два взаимодействующих вещества и получается неизвестное третье — вес вновь образовавшегося соеди­нения должен равняться весу первых двух.

Прекрасно понимая значение законов сохранения, неуничтожимости материи для науки, Ломоносов искал подтверждение своих мыслей. Он решил повторить опы­ты английского ученого XVII в. Р. Бойля.

Бойль интересовался вопросами изменения веса ме­талла при нагревании. Он поставил такой опыт: в стек­лянную реторту поместил кусочек металла и взвесил ее.

Затем, запаяв узкое горлышко сосуда, нагрел его на огне. Через два часа Бойль снял сосуд с пламени, обломил горлышко реторты и, охладив ее, взвесил. Металл увели­чился в весе.

Причину Бойль видел в том, что через стекло в сосуд проникают мельчайшие частицы «материи огня» и со­единяются с металлом. Во времена Бойля и Ломоносова непонятные явления природы ученые объясняли с помо­щью различных неуловимых «материй», но что они из себя представляют — сказать не могли. Ломоносов же не признавал существования таинственных «материй». Он был уверен, что причина увеличения веса заключается в другом, и решил доказать, что нет никакой «тонкой все­проникающей материи огня», а также что при химичес­ких превращениях общий вес вещества участвующих в реакции элементов остается неизменным.

Так М.В. Ломоносов открыл закон сохранения веще­ ства, или, как его называют, закон сохранения массы. Че­рез 17 лет после Ломоносова этот закон подтвердил мно­гочисленными опытами французский химик А. Лавуазье.

Закон сохранения импульса

Покой и движения тела относительны, скорость дви­жения зависит от выбора системы отсчета. По второму закону Ньютона, независимо от того, находилось ли тело в покое, или двигалось равномерно и прямолинейно, из­менение его скорости движения может происходить толь­ко под действием силы, т.е. в результате взаимодействия с другими телами.

Имеется физическая величина, одинаково изменяю­щаяся у всех тел под действием одинаковых сил, если время действия силы одинаково, равная произведению массы тела на его скорость и называемая импульсом тела. Изменение импульса равно импульсу приложенной силы. Импульс тела является количественной характеристикой поступательного движения тел.

Экспериментальные исследования взаимодействий различных тел — от планет и звезд до атомов и электро­нов, элементарных частиц — показали, что в любой системе взаимодействующих между собой тел при отсут­ствии действия сил со стороны других тел, не входящих в систему, или равенстве нулю суммы действующих сил геометрическая сумма импульсов тел остается постоян­ной.

Система тел, не взаимодействующих с другими тела­ми, не входящими в эту систему, называется замкнутой. Таким образом, в замкнутой системе геометрическая сум­ма импульсов тел остается постоянной при любых взаи­модействиях тел этой системы между собой. Этот фунда­ментальный закон природы называется законом сохране­ ния импульса.

Необходимым условием применимости закона сохра­нения импульса к системе взаимодействующих тел явля­ется использование инерциальной системы отсчета. На законе сохранения импульса основано реактивное дви­жение, его используют при расчете направленных взры­вов, например, при прокладке туннелей в горах. Полеты в космос стали возможными благодаря использованию многоступенчатых ракет.

Закон сохранения заряда

Не все явления природы можно понять и объяснить на основе использования понятий и законов механики, молекулярно-кинетической теории строения вещества, термодинамики. Эти науки ничего не говорят о природе сил, которые связывают отдельные атомы и молекулы, удерживают атомы и молекулы вещества в твердом состоянии на определенном расстоянии друг от друга. За­коны взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе представлений о том, что в природе существуют электрические заряды.

Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электри­ческих зарядов, — это электризация тел при соприкосно­вении. Взаимодействие тел, обнаруживаемое при элект­ризации, называется электромагнитным взаимодействием, а физическая величина, определяющая электромагнит­ное взаимодействие, — электрическим зарядом. Способ­ность электрических зарядов притягиваться и отталки­ваться говорит о наличии двух различных видов зарядов: положительных и отрицательных.

Электрические заряды могут появляться не только в результате электризации при соприкосновении тел, но и при других взаимодействиях, например, под воздействи­ем силы (пьезоэффект). Но всегда в замкнутой системе, в которую не входят заряды, при любых взаимодействи­ях тел алгебраическая (т.е. с учетом знака) сумма элект­рических зарядов всех тел остается постоянной. Этот эк­спериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда.

Нигде и никогда в природе не возникают и не исче­зают электрические заряды одного знака. Появление по­ложительного заряда всегда сопровождается появлением равного по абсолютному значению, но противополож­ного по знаку отрицательного заряда. Ни положитель­ный, ни отрицательный заряды не могут исчезнуть в отдельности друг от друга, если равны по абсолютному зна­чению.

Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заряженных частиц — электронов — от одних тел к другим. Как известно, всостав любого атома входят положительно заряженные ядро и отрицатель­но заряженные электроны. В нейтральном атоме сум­марный заряд электронов в точности равен заряду атом­ного ядра. Тело, состоящее из нейтральных атомов и молекул, имеет суммарный электрический заряд, рав­ный нулю.

Если в результате какого-либо взаимодействия часть электронов переходит от одного тела к другому, то одно тело получает отрицательный электрический заряд, а вто­рое — равный по модулю положительный заряд. При соприкосновении двух разноименно заряженных тел обычно электрические заряды не исчезают бесследно, а избыточное число электронов переходит с отрицатель­но заряженного тела к телу, у которого часть атомов имела не полный комплект электронов на своих обо­лочках.

Особый случай представляет встреча элементарных заряженных античастиц, например, электрона и позит­рона. В этом случае положительный и отрицательный электрические заряды действительно исчезают, анниги­лируют, но в полном соответствии с законом сохранения электрического заряда, так как алгебраическая сумма за­рядов электрона и позитрона равна нулю.

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: