Реферат: Симметрия природы и законы сохранения

Под законами сохранения, наряду с сохранением полной энергии, понимают сохранение импульса и момента импульса — они определяют динамику и галактик, и элементарных частиц, а также ряд других законов сохранения, например закон сохра­нения странности и некоторых квантовых чисел.

Различают два вида энергии: потенциальную и кинетичес­кую.

Понятие потенциальной энергии тела вводится для сил, ра­бота которых определяется только положением начальной и конечной точек траектории. Такие силы называют консерватив­ными. Работа неконсервативных сил зависит от формы тра­ектории, например, силы трения.

Кинетическая энергия — это энергия массы, движущейся под действием неконсервативных сил, а поэтому правильнее говорить о ее приращении, которое равно работе всех сил, приложенных к телу. Это могут быть силы упругости, тяготения, трения и т. д.

Связь симметрии пространства и законов сохранения была изложена немецким математиком Э. Нетер (1882-1935) в фор­ме фундаментальной теории: однородность пространства и времени влечет законы сохранения импульса и энергии, а изот­ропность пространства — сохранения момента импульса и энер­гии.

Установление связи между свойствами пространства и вре­мени и законами сохранения выражается в вариационном прин­ципе.

Закон изменения полной энергии

Сумму кинетической и потенциальной энергий называют пол­ной энергией тела. Она включает кинетическую энергию, кото­рая всегда положительна, и потенциальную, которая может быть как положительной, так и отрицательной. Таким образом, пол­ная энергия может быть любого знака и равна нулю. Один из важнейших законов механики гласит: приращение полной энер­гии тела равно работе неконсервативных сил.

Закон сохранения полной энергии

Если неконсервативные силы отсутствуют или их работа рав­на нулю, то полная энергия не меняется, то есть имеет одно и то же значение в любой момент времени.

Закон сохранения полной энергии системы тел

Если в замкнутой системе действуют силы трения, то пол­ная энергия системы уменьшается, что не означает ее исчезно­вения. Наличие трения приводит к увеличению кинетической энергии движения молекул и потенциальной энергии их взаи­модействия за счет уменьшения полной энергии. Сохранение полной энергии замкнутой системы, равной сумме полной и внутренней энергий, является частным случаем всеобщего за­кона сохранения и превращения энергии всех форм движения материи.

Закон сохранения энергии в применении к тепловым процес­сам выражен в первом начале термодинамики. При этом в многоатомных молекулах кинетическая энергия складывается из трех независимых частей — энергии движения молекулы как целого, вращательной энергии и колебательной энергии ядер.

Передача тепла возможна, кроме трения, теплопроводнос­тью, конвенцией, излучением.

С законами сохранения энергии тесно связан закон про­порциональности, или взаимосвязи массы и энергии (эта связь совершенно универсальна): изменение массы тела прямо пропорционально изменению полной энергии или приращению ки­нетической и собственной (потенциальной) энергии.

Закон сохранения импульса

Данный закон представляет собой результат симметрии от­носительно параллельного переноса исследуемого объекта в пространстве, суть — однородность пространства. Так, в пус­том пространстве импульс сохраняется во времени, а при нали­чии взаимодействия скорость его изменения определяется суммой приложенных сил. В случае системы материальных то­чек, их полный импульс определяется как векторная сумма всех импульсов, составляющих систему материальных точек.

Системы, на которые не действуют внешние силы, называ­ют замкнутыми. Основная масса законов сформулирована имен­но для таких систем.

Закон сохранения момента импульса

Он являет собой пример симметрии относительно поворота в пространстве (изотропность пространства).

Этот закон есть следствие неизменности мира по отноше­нию к его поворотам в пространстве.

Это свойство используется, в частности, в гироскопах и дру­гих навигационных системах.

Все эти законы сохранения не только фундаментальны, но и универсальны в пределах микро-, макро- и мегамиров.

Закон сохранения заряда

Этот закон есть следствие симметрии относительно замены описывающих систему параметров на их комплексно-сопряжен­ные значения.

Релятивистская инвариантность заряда и закон сохранения заряда изолированной системы взаимно обусловливают друг друга и принимаются в качестве исходного положения класси­ческой электродинамики.

Закон сохранения четности

Этот закон подразумевает симметрию относительно инвер­сии (зеркального отражения).

Оба закона действуют в микро- и мегамирах для элементар­ных частиц.