Законы сохранения в естествознании кратко

Обновлено: 02.07.2024

Рассмотрим наиболее общие законы сохранения, которым подчиняется весь материальный мир и которые вводят в физику ряд фундаментальных понятий: энергия, количество движения (импульс), момент импульса, заряд.

Закон сохранения импульса

Как известно, количеством движения, или импульсом, называют произведение скорости на массу движущегося тела: p = mv Эта физическая величина позволяет найти изменение движения тела за какой-нибудь определенный промежуток времени. Для решения этой задачи следовало бы применять второй закон Ньютона бесчисленное число раз, во все промежуточные моменты времени. Закон сохранения количества движения (импульса) можно получить, используя второй и третий законы Ньютона. Если рассматривать две (или более) материальные точки (тела), взаимодействующие между собой и образующие систему, изолированную от действия внешних сил, то за время движения импульсы каждой точки (тела) могут изменяться, но общий импульс системы должен оставаться неизменным:

Взаимодействующие тела обмениваются импульсами при сохранении общего импульса.

В общем случае получаем:

где P_? – общий, суммарный импульс системы, m_iv_i – импульсы отдельных взаимодействующих частей системы. Сформулируем закон сохранения импульса:

? Если сумма внешних сил равна нулю, импульс системы тел остается постоянным при любых происходящих в ней процессах.

Пример действия закона сохранения импульса можно рассмотреть на процессе взаимодействия лодки с человеком, которая уткнулась носом в берег, а человек в лодке быстро идет из кормы в нос со скоростью v₁. В этом случае лодка отойдет от берега со скоростью v₂:

Аналогичный пример можно привести со снарядом, который разорвался в воздухе на несколько частей. Векторная сумма импульсов всех осколков равна импульсу снаряда до разрыва.

Закон сохранения момента импульса

Вращение твердых тел удобно характеризовать физической величиной, которая называется моментом импульса.

При вращении твердого тела вокруг неподвижной оси каждая отдельная частица тела движется по окружности радиусом r_i с какой-то линейной скоростью v_i. Скорость v_i и импульс p = m_iv_i перпендикулярны радиусу r_i. Произведение импульса p = m_iv_i на радиус r_i называется моментом импульса частицы:

Момент импульса всего тела:

Если заменить линейную скорость угловой щ (v_i = ?r_i), то

где J = mr 2 – момент инерции.

Момент импульса замкнутой системы не изменяется во времени, то есть L = const и J? = const.

При этом моменты импульса отдельных частиц вращающегося тела могут как угодно изменяться, однако общий момент импульса (сумма моментов импульса отдельных частей тела) остается постоянным. Продемонстрировать закон сохранения момента импульса можно, наблюдая вращение фигуриста на коньках с руками, вытянутыми в стороны, и с руками, поднятыми над головой. Так как J? = const, то во втором случае момент инерции J уменьшается, значит, при этом должна возрасти угловая скорость щ, так как J? = const.

Закон сохранения энергии

Энергия – это универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Энергия, отданная одним телом другому, всегда равна энергии, полученной другим телом. Для количественной оценки процесса обмена энергией между взаимодействующими телами в механике вводится понятие работы силы, вызывающей движение.

Кинетическая энергия механической системы – это энергия механического движения этой системы. Сила, вызывающая движение тела, совершает работу, а энергия движущегося тела возрастает на величину затраченной работы. Как известно, тело массой m, движущееся со скоростью v, обладает кинетической энергией E = mv 2 /2.

Потенциальная энергия – это механическая энергия системы тел, которые взаимодействуют посредством силовых полей, например посредством гравитационных сил. Работа, совершаемая этими силами, при перемещении тела из одного положения в другое не зависит от траектории движения, а зависит только от начального и конечного положения тела в силовом поле.

Такие силовые поля называют потенциальными, а силы, действующие в них, – консервативными. Гравитационные силы являются консервативными силами, а потенциальная энергия тела массой m, поднятого на высоту h над поверхностью Земли, равна

где g – ускорение свободного падения.

Полная механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергии:

Закон сохранения механической энергии (1686 г., Лейбниц) гласит, что в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется неизменной во времени. При этом могут происходить превращения кинетической энергии в потенциальную и обратно в эквивалентных количествах.

Существуют еще один вид систем, в которых механическая энергия может уменьшаться за счет преобразования в другие формы энергии. Например, при движении системы с трением часть механической энергии уменьшается за счет трения. Такие системы называются диссипативными, то есть системами, рассеивающими механическую энергию. В таких системах закон сохранения полной механической энергии несправедлив. Однако при уменьшении механической энергии всегда возникает эквивалентное этому уменьшению количество энергии другого вида. Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой. Здесь проявляется свойство неуничтожимости материи и ее движения.

Закон сохранения заряда

Электрические заряды – это источники электромагнитного поля. Вся совокупность электрических явлений есть проявление существования движения и взаимодействия электрических зарядов.

В конце XIX в. английским физиком Томсоном был открыт электрон – носитель отрицательного элементарного электрического заряда (-1,6 · 10 -19 Кл), а в начале XX в. Резерфорд открыл протон, обладающий таким же по величине элементарным положительным зарядом. Поскольку каждая частица характеризуется определенным, присущим ей электрическим зарядом, закон сохранения заряда можно рассматривать как следствие сохранения числа частиц, если при этом не происходит взаимопревращения частиц.

При электризации физических тел число заряженных частиц не меняется, а происходит лишь их перераспределение в пространстве. В общем закон сохранения заряда можно сформулировать так:

? в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов системы остается неизменной во времени, какие бы процессы ни происходили внутри этой замкнутой системы.

Такое понятие существовало в физике давно, а в 1843 г. М. Фарадей экспериментально подтвердил этот закон. Как и другие законы сохранения, закон сохранения заряда справедлив на всех структурных уровнях материального мира.

Закон сохранения заряда вместе с законом сохранения энергии характеризует устойчивость электрона. Он не может превратиться самопроизвольно в более тяжелую частицу или в более легкую.

В первом случае это не позволяет закон сохранения энергии, а во втором – закон сохранения заряда.

Энергия (от др.-греч. ἐνέργεια — действие, деятельность, сила, мощь) – это универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Энергия - это характеристика состояния тела или системы тел, зависящие от параметров состояния, её изменение определяется работой.

Работа – физическая величина, характеризующая количество энергии, переданной или полученной системой путём изменения её внешних параметров.

Кинетическая энергия - характеризует движение тела. Это векторная физическая величина. Она равна нулю, когда тело неподвижно.

Потенциальная энергия – это энергия, обусловленная взаимным расположением тел и характером их взаимодействия. потенциальная энергия всегда характеризует тело относительно источника силы (силового поля). Например, потенциальная энергия гравитационного поля, электромагнитного поля, упругая деформация и др.

Внутренняя энергия - энергия, зависящая от его внутреннего состояния. Включает кинетическую энергию теплового движения микрочастиц (ядер, атомов, молекул, ионов и т.д.) и энергию их взаимодействия. Внутренняя энергия зависит от массы тел, от температуры тел, а также от того, в каком агрегатном состоянии они находятся. Внутренняя энергия тела изменится, если его деформировать или размельчить. Однако она не зависит от того, обладает тело механической энергией или нет.

Замкнутая система – идеализированная модель системы тел, для которой равнодействующая внешних сил равна нулю. Например, Замкнутая система в механике может быть определена как такая система тел, на которую не действуют внешние силы, либо действия этих внешних сил на тела системы полностью скомпенсированы.

Закон сохранения энергии - фундаментальный закон природы, в замкнутой системе тел полная энергия не изменяется при любых взаимодействиях внутри этой системы тел. Закон накладывает ограничения на протекание процессов в природе. Природа не допускает появление энергии ниоткуда и исчезание в никуда.

Импульс – векторная величина, равная произведению массы тела на скорость его движения, иногда называется количеством движения.

Закон сохранения импульса - для замкнутой системы внешние силы отсутствуют и таким образом импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. остаётся неизменным со временем.

Закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени; или импульс системы материальных точек сохраняется, если система замкнута или если сумма моментов всех внешних сил, действующих на систему, равна нулю.

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017.: с 112 - 114.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Анализ закономерностей природы позволил выделить Всеобщие законы, которые проявляются на всех уровнях её организации. Эти законы оказываются справедливыми для всех явлений и процессов. Они не зависят не только от людей, но и от систем отсчёта (т.е. они инвариантны), что означает их объективность. Поиск законов – это поиск наиболее объективного, наиболее соответствующего природе способа выражения знаний человека о мире.

К наиболее общим законам природы относят законы сохранения.

Закон сохранения энергии.

Понятие энергии встречается во всех естественных науках.

Энергия – это универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Энергия - это характеристика состояния тела или системы тел, зависящая от параметров состояния, её изменение определяется работой.

Открытие закона сохранения энергии приводят все знания о природе в единую систему. Все наши знания, представления о физических, химических, биологических и др. процессах. Универсальность этого закона позволяет объединить различные виды энергии (механическую, электромагнитную, тепловую и т.д.).

Суть закона сохранения энергии состоит в том, что энергия любого вида может передаваться от одного тела другому или превращаться из одного вида энергии в другой, притом так, что в процессах передачи и превращения энергия бесследно не исчезает и не возникает из ничего.

Если мы представим себе систему, которая не взаимодействует с окружающей средой, т.е. не получает энергии извне и не отдаёт свою энергию, то можно говорить, что энергия этой замкнутой системы останется неизменной. В природе отсутствуют системы, которые совершенно не взаимодействуют с окружающей средой - природные системы являются открытыми. Однако любая природная система является частью системы более высокого уровня. Поэтому закон сохранения энергии оказывается справедлив и в этом случае.

Закон сохранения механической энергии - частный случай фундаментального закона сохранения энергии:

При этом различают кинетическую и потенциальную энергии. Они могут переходить друг в друга. Примером может служить движение маятника. Механическая энергия является суммой этих двух видов энергий. Не сложно предположить, что если маятник оказался бы замкнутой системой, его движение было бы бесконечно. Однако взаимодействуя с окружающей средой, часть энергии переходит во внутреннюю энергию. Так, если присутствуют силы трения или произойдёт неупругий удар, тела могут нагреваться, т.е. механическая энергия переходит в тепло (внутреннюю энергию движения частиц). Внутренняя энергия также может переходить в механическую, что происходит, например, при движении живых организмов и при работе тепловых двигателей.

Помимо тепловой, электрическая, химическая и ядерная энергии — это виды внутренней энергии, которые вносят вклад в общее содержание энергии в веществе. Так в лампе накаливания можно наблюдать переход электрической энергии в тепловую. Электродвигатель преобразует энергию электромагнитного поля в механическую. Энергия химических связей может высвобождаться в форме тепловой энергии, например при горении. Энергия ядра в атомных реакторах преобразуется в тепловую.

На фундаментальном уровне, таким образом, любую энергию можно в итоге свести к кинетической энергии частиц вещества и энергии фундаментальных полей.

Напомним, что обмен энергией с окружающей средой является одним из необходимых условий существования всего живого.

Закон сохранения импульса

Помимо энергии есть ещё одна характеристика вещества и поля – импульс. Впервые этим термином описал движение Рене Декарт. Импульс он определил как количество движения. Действительно, не всегда описание движения скоростью, ускорением и т.п. удобно. Так, например, при торможении поезда и велосипеда, двигающихся с одинаковой скоростью, тормозной путь будет больше. Согласитесь, что только скоростью это объяснить нельзя. Здесь важно учитывать и массу.

Величина равная произведению массы и скорости тела называется импульсом:

Это величина векторная. И её вектор направлен в том же направлении что и скорость.

Введение импульса действительно оправдано. Ведь он у тела никуда не девается, импульс сохраняется. Иллюстрацию этого можно наблюдать на примере маятника, называемого колыбелью Ньютона.

Согласно закону сохранения импульса, импульс замкнутой системы остаётся неизменным (p = const). Он может измениться только при действии внешних сил.

Импульс всегда связан со взаимодействием. Так внутренняя энергия не может изменить импульс системы. Т.е. вытаскивание себя из болота за волосы, как предлагал Мюнхгаузен, дело бесперспективное.

Заметим, что фундаментальные поля тоже характеризуются импульсом и при взаимодействии с веществом могут приводить его в движение

Закон сохранения момента импульса

При вращательном движении аналогом импульса тела поступательного движения, будет выступать момент импульса тела относительно оси. Эта величина зависит от того, сколько массы вращается, как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью происходит вращение. Ярким примером закона сохранения момента импульса является раскрученный волчок (юла). С точки зрения этого закона можно рассматривать вращательное движение планет вокруг Солнца. В этом случае, момент импульса будет высчитываться по формуле:

Не сложно сделать вывод, что поскольку масса, радиус и скорость не меняются, то и момент импульса останется неизменным ().

В случае движения тел по эллиптической орбите, закон сохранения момента импульса останется справедливым. В этом случае момент импульса будет выражаться следующим образом:

α — угол между вектором скорости тела и направлением на Солнце.

Следуя закону сохранения импульса, подлетая к Солнцу, например комета, будет ускоряться, т.к. радиус становится меньше.

Закон сохранения момента импульса наглядно проявляется, в гимнастических упражнениях, спортсмены совершают вращательные движения. Сжимаясь и распрямляясь, спортсмен заметно изменяет скорость своего вращения.

Момент импульса системы тел определяется как сумма моментов импульса каждого из тел.

Закон сохранения момента импульса справедлив не только для замкнутых систем, но равноправен и в тех случаях, когда внешние силы направлены к центру. Например, попробуйте остановить колесо велосипеда, действуя только на ось его вращения.

Законы сохранения импульса, момента импульса, энергии отражают общий принцип сохранения материи и движения, служат доказательством существования всеобщих взаимосвязей в природе. Объективность законов природы, их общность приводит к выводу о единстве законов природы, что подтверждает единство природы в целом.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Выберите один ответ:

Что произойдёт, если дети на раскрученной карусели одновременно переместятся ближе к центру?

Скорость вращения карусели увеличится;

Скорость вращения карусели уменьшится;

Скорость вращения карусели останется неизменной;

Ответ: Скорость вращения карусели увеличится

Пояснение: В соответствии с законом сохранения, момент импульса замкнутой системы останется неизменным L=const. Поскольку момент импульса связан с массой, скоростью и радиусом (L= m∙v∙r), то несложно оценить, что при неизменной массе, но при уменьшающемся радиусе, величина скорости увеличивается, что мы и можем наблюдать в примере

Почему в действительности Мюнхгаузен не мог вытащить за волосы себя из болота?

А) Плечо силы было бы недостаточно;

Б) Момент сохранения момента импульса применим только для замкнутых систем, каковой человек не является;

Пояснение: Импульс всегда связан с взаимодействием. Внутренняя энергия не может изменить импульс системы. Т.е. вытаскивание себя из болота за волосы, как предлагал Мюнхгаузен, дело бесперспективное.

1. Закон сохранения энергии. Он утверждает, что существует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, которые происходят в природе. По существу это математический принцип, утверждающий, что существует некоторая численная величина, которая не изменяется ни при каких обстоятельствах. При экспериментальной проверке этого закона всегда необходимо учитывать:

1- при расчете энергии временами часть ее уходит из системы, временами же какая-то энергия появляется. При проверке сохранения энергии мы должны быть уверены, что не забыли учесть ее убыль или прибыль.

2- энергия имеет множество разных форм и для каждой из них есть своя формула: энергия тяготения, кинетическая энергия, тепловая энергия, упругая энергия, электронная, химическая, энергия излучения, ядерная энергия, энергия массы. Когда мы объединим формулы для вклада каждой из них в систему, то их сумма не будет меняться, если не считать убыли энергии или ее притока.

В общей формулировке закона сохранения энергии заложена невозможность вечного движения механических устройств. Рассмотрим широко известный классический пример, иллюстрирующий невозможность вечного двигателя:". энергия при работе вечного двигателя должна бы переходить из одной формы в другую, но в механических частях машины (пружине или рычаге) имеются кристаллы, состоящие из множества атомов. При сборке частей машины требуется особая точность и тщательность, чтобы при работе машины ни один из атомов не сдвинулся со своего места, не совершил колебательных движений; когда машина работает, то и дело происходят какие-то удары, покачивания, вызванные неровностями материала, и атомы начинают дрожать; так теряются маленькие доли энергии, по мере того, как движение замедляется, все сильнее становятся случайное неожиданное дрожание атомов вещества машины. С помощью термометра можно установить, что отдельные части машины перегреваются; при этом кинетическая энергия движения машины переходит частью в кинетическую энергию внутреннего движения атомов и молекул, а частично - в тепловую".

Кроме _ закона сохранения энергии . в физике открыто еще пять законов сохранения.

2. Закон сохранения импульса (количества движения)

3. Закон сохранения момента импульса (момента количества движения)

4. Закон сохранения заряда .

5. Закон сохранения числа барионов.

6. Закон сохранения числа лептонов.

2. Закон сохранения импульса (количества движения) - это 3 закон Ньютона, при наличии одних только внутренних сил в системе полный импульс двух частиц ( частиц системы) остается неизменным (при отсутствии воздействия внешних сил на систему) какие бы движения внутри системы не происходили.

3. Закон сохранения момента импульса (момента количества движения): Если на систему частиц не действуют никакие внешние моменты сил, то ее момент количества движения остается постоянным.

4. Закон сохранения заряда: Электрические заряды не создаются и не исчезают. Они могут перемещаться от одного тела к другому или смещаться внутри тела или молекул атомов.

5. Закон сохранения числа барионов. Барионы: частицы - нейтрон, протон. Число барионов в начале процесса (любого) всегда сохраняется до конца процесса.

6. Закон сохранения числа лептонов. Лептоны: электрон, мюон, нейтрино. Число лептонов на входе и на выходе реакции всегда постоянно.

Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы.

ЗАКОНЫ, управляющие количеством пригодной для человека энергии, называются _ законами термодинамики . и включают понятие, называемое _энтропией . необратимых термодинамческих процессов. Об этом позже.

Фундаментальные законы справедливы для всего естествознания: замкнутых и незамкнутых систем, макроскопических и мик-роскопических, классических и квантовых явлений. Они выделяются среди всех законов своей всеобщностью. Сформулированы они как обобщение опыта. Гораздо позже пришло понимание глубокой взаимосвязи этих законов.

Все виды материи, которые встречаются в природе, могут превращаться друг в друга различными способами. Например, из водорода и кислорода образуется вода, протон и нейтрон превращаются в ядро атома, ядро с электроном образуют атом и т. д.

В результате количество одного вида материи может увеличиваться или уменьшаться, но это всегда связано с соответствующим увеличением или уменьшением количества материи другого вида. При этом общее количество материи не изменяется.

Экспериментально установлено, что в изолированной системе общее количество материи постоянно, при этом она из одной формы материи может переходить в другую.

Отсюда следует закон сохранения и превращения материи: Материя из ничего не создается и ни во что не превращается.

Первоначально закон сохранения и превращения материи был экспериментально доказан для частного случая закона сохранения массы при химических превращениях Ломоносовым в 1756 г. и Лавуазье в 1774 г. Масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.

Независимо был открыт закон сохранения и превращения энергии (М. В. Ломоносов, 1760 г.) и подтвержден экспериментально Ю. Майером (в 1842 г.).

Энергия замкнутых систем остается постоянной при всех происходящих в ней процессах и превращениях.

Под энергией понимают общую количественную меру различных форм движения материальных объектов. В соответствии с различными формами физического движения выделяют различные виды энергии: механическую, тепловую, химическую, электромагнитную, гравитационную, ядерную и другие.

До начала XX в. законы сохранения массы и энергии рассматривались независимо друг от друга. Предполагалось, что между веществом и энергией существует различие: вещество обладает массой, а энергия – нет.

В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что энергия также обладает массой. Он установил закон эквивалентности массы и энергии.

Полная энергия системы (Е) равна E = m·c 2 , где m– масса системы,с – скорость света в вакууме.

Закон эквивалентности и массы и энергии подтвержден экспериментально. Он широко используется для расчета энергетических эффектов при ядерных реакциях и превращениях элементарных частиц.

Таким образом, каждое химическое уравнение символизирует собой законы сохранения массы и энергии, которые можно объединить в уточненной формулировке: Суммарные масса и энергия объектов, вступивших в реакцию, всегда равны суммарной массе и энергии продуктов реакции.

Закон сохранения импульса (количества движения): в замкнутой системе геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной при любых взаимодействиях тел.

Необходимым условием применимости закона сохранения импульса к системе взаимодействующих тел является использование инерциальной системы отсчета.

Закон сохранения момента импульса: для изолированной системы момент импульса остается постоянным.

Момент импульса – это векторная мера механического движения тела или системы тел относительно какого-нибудь центра. Этот закон хорошо обоснован: неизвестны никакие исключения из него или факты, противоречащие ему.

Закон сохранения электрического заряда:в замкнутой системе, в которую не входят извне электрические заряды, при любых взаимодействиях тел алгебраическая сумма электрических зарядов всех тел остается постоянной.

Нигде и никогда в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление (исчезновение) положительного электрического заряда всегда сопровождается появлением (исчезновением) равного по абсолютному значению отрицательного электрического заряда.

Энергия замкнутых систем остается постоянной при всех происходящих в ней процессах и превращениях.

Полная энергия системы (Е) равна E = m·c 2 , где m– масса системы,с – скорость света в вакууме.

Закон сохранения момента импульса: для изолированной системы момент импульса остается постоянным.

Симметрия (от греч. symmetria – соразмерность) – однородность, пропорциональность, гармония, инвариантность структуры материального объекта относительно его преобразований. Это признак полноты и совершенства. Лишившись элементов симметрии, предмет утрачивает свое совершенство, красоту, своё эстетическое содержание.

Симметрия в наиболее общем понимании – это согласованность или уравновешенность отдельных частей объекта, объединённых в единое целое, гармония пропорций. Многие народы с древнейших времен владели представлениями о симметрии в широком смысле как эквивалентности уравновешенности и гармонии. В геометрических орнаментах всех веков запечатлены неиссякаемая фантазия и изобретательность художников и мастеров. Их творчество было ограничено требованиями следовать принципам симметрии.

Идеи симметрии имеют свою историю, их нередко можно обнаружить в живописи, скульптуре, музыке, поэзии, архитектуре. Операции симметрии часто служат канонами – симметричные движения составляют основу танца. Во многих случаях именно язык симметрии оказывается наиболее пригодным для обсуждения произведений изобразительного искусства.

В естествознании принципы симметрии делятся на пространственно-временные (геометрические или внешние) и внутренние, описывающие свойства элементарных частиц. Среди пространственно-временных принципов симметрии выделим следующие:

Сдвиг системы отсчёта не меняет физических законов, при этом все точки пространства равноправны. Это означает однородность пространства.

Поворот системы отсчета пространственных координат оставляет физические законы неизменными, что обозначает: все свойства пространства одинаковы по всем направлениям, иными словами, пространство изотропно. Например, свойства палки не меняются, если её переворачивать в воздухе. А вот свойства корабля изменятся значительно, если он перевернется в воде, так как на границе раздела вода-воздух свойства пространства различны. Таким образом, симметрия пространства означает, что в пространстве действия физических законов нет выделенных точек и направлений, оно является однородным.

Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта. Этот принцип относительности является основным постулатом специальной теории относительности (СТО) А. Эйнштейна. В соответствии с принципом симметрии можно произвести переход в другую систему отсчёта, движущуюся относительно данной системы с постоянной по величине и направлению скоростью. Например, можно перейти из вагона поезда в машину, если уравнять их скорости.

Зеркальная симметрия природы – как отражение пространства в зеркале – не меняет физических законов.

Фундаментальные физические законы не меняются при обращении знака времени. Необратимость, существующая в макромире, имеет статистическое происхождение и связана с неравновесным состоянием Вселенной.

Замена всех частиц на античастицы не влияет на физические законы, не меняет характера процессов природы.

В современной физике обнаружена определенная иерархия законов симметрии: одни выполняются при любых взаимодействиях, другие – только при ядерном и электромагнитном. Эта иерархия отчётливо проявляется во внутренних симметриях. Внутренние симметрии действуют в микромире. В релятивистской квантовой теории предполагается взаимное превращение элементарных частиц, при этом выполняются законы сохранения:

при всех превращениях элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной. До и после превращения сумма зарядов частиц должна остаться неизменной;

барионный или ядерный заряд остается постоянным;

лептонный заряд сохраняется.

Теория взаимодействия элементарных частиц продолжает своё развитие. Начало этому было положено установлением принципов симметрии. Экспериментально установлено, что в природе оказываются возможными не любые процессы и движения, а только те из них, которые не нарушают так называемых законов сохранения, выполняющих функцию правил отбора или правил запрета.

Законы сохранения – это физические законы, согласно которым численные значения некоторых физических величин, характеризующих состояние системы, не изменяются в определенных процессах. Формулировка любого закона сохранения включает две основные части. В одной утверждается, что рассматриваемая величина сохраняется, а в другой указываются условия, при которых сохранение данной величины имеет место.

Наиболее наглядно действие законов сохранения проявляется в рамках корпускулярного описания природных процессов. В качестве примера приведем закон сохранения электрического заряда.

Алгебраическая сумма электрических зарядов сохраняется, если система зарядов замкнута, то есть электрически изолирована.

Роль симметрии усиливается при переходе к изучению всё более тонких и глубоких явлений природы, всё более ранних этапов эволюции Вселенной. В этих областях принцип симметрии зачастую остаётся единственным инструментом продвижения науки вперёд.

Симметрии в природе, выражаясь через математические преобразования, всегда связаны с законами природы. Соответствующие догадки высказывали уже античные мыслители. Однако только в 1918 г. связь между симметриями и законами природы была выражена в строгой научной форме немецким математиком А.Э. Нетер. Она сформулировала теорему, сущность которой заключается в утверждении, что каждому виду симметрии должен соответствовать определенный закон сохранения. Было установлено, что с однородностью времени связан закон сохранения энергии. С однородностью пространства – закон сохранения импульса. С изотропностью пространства – закон сохранения момента импульса. Симметрия и законы сохранения – не следствие одно из другого, а равноправные и взаимосвязанные проявления фундаментальных свойств материи.

Симметрия обладает признаком всеобщности, она пронизывает всё сущее, поэтому и связанные с ней законы сохранения фундаментальны. В физике к настоящему времени установлены связи множества законов сохранения с соответствующими симметриями.

Особую значимость для познания природы приобрел закон сохранения энергии как отражение симметрии времени – его однородности. Подробнее остановимся на понятии энергии и роли закона сохранения энергии в естествознании.

В основе всех явлений природы лежит движение материи и взаимодействие материальных объектов. Существуют различные формы движения материи, и различные типы фундаментальных взаимодействий.

Для описания каждого из них вводятся специфические физические величины. Например, механическое движение характеризуется скоростью, импульсом, моментом импульса. Для описания тепловых процессов используются температура, теплота и т.д. Взаимодействие различных типов отображается различными силами. Все такие величины отражают качественные особенности различных форм движения материи и взаимодействия. Опыт обнаруживает, что различные формы движения и взаимодействия могут, кроме специфических величин, характеризоваться величиной, которая с равным правом относится к ним ко всем. Такой физической величиной является энергия.

Энергия есть общая мера различных форм движения и взаимодействия всех видов материи. Установленный экспериментально закон сохранения и превращения энергии утверждает, что суммарная энергия изолированной системы не изменяется. При эволюции системы могут изменяться доли энергий различного вида, что объясняется переходом энергии из одного вида в другой.

Как известно, с понятием энергии тесно связаны понятия работы, мощности, коэффициента полезного действия. Все они являются вспомогательными. Понятие работы служит для описания перехода энергии из одной формы в другую. В термодинамике таким же вспомогательным понятием является количество теплоты. Понятие мощности служит для характеристики скорости совершения работы, энергетического обмена. Мощность – скорость преобразования энергии из одного вида в другой вид. Это понятие широко используется в технике. Оно характеризует способность технического устройства преобразовывать один вид энергии в другие её виды. Эффективность такого преобразования энергии характеризует величина, известная как коэффициент полезного действия.

Обмен энергией между множеством природных систем обусловливает объединяющую роль энергии в природе и в естествознании. Преобразование энергии происходит в любых природных процессах, и выполняющийся при этих преобразованиях закон сохранения и превращения энергии связывает все явления природы воедино. Он выполняется и при протекании сложных, комплексных природных явлений, например, энергетического обмена в живых организмах, климатических процессов, химического превращения веществ, следовательно, может быть положен в основу количественных расчётов всех этих процессов.

Законы сохранения работают как принципы запрета. Например, законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Эти законы не дают прямых указаний, как должен идти тот или иной процесс. Они лишь говорят о том, какие процессы запрещены и потому в природе не происходят. Любой процесс, при котором нарушился бы хоть один из законов сохранения, запрещён. И наоборот – всякий процесс, при котором законы сохранения не нарушаются, в принципе может иметь место, если при этом не нарушаются другие фундаментальные законы природы.

В качестве принципов запрета законы сохранения играют важную методологическую роль в естествознании. Законы сохранения являются мощным инструментом теоретического исследования всевозможных процессов, происходящих в природе, – от микромира до космических явлений.

Дальнейшее развитие физики продемонстрировало всеобщность принципа симметрии, заставило значительно глубже взглянуть на симметрию, расширив это понятие за рамки наглядных геометрических представлений. Симметрия ограничивает число возможных вариантов структур или вариантов поведения систем. Это важно с методологической точки зрения, так как даёт возможность для многих исследовательских проблем находить решение как результат выявления единственно возможного варианта, без выяснения подробностей, – так называемое решение из соображений симметрии.

В физике элементарных частиц стало обычной практикой при обнаружении нового закона сохранения, проявляющегося в микромире, искать соответствующую симметрию и наоборот.

Таким образом, симметрию определяют в связи с такими понятиями, как сохранение и изменение, равновесие, упорядоченность, тождество и различие, что связано с охватом всех аспектов. Сущностью симметрии является тождество противоположностей.

Симметрия – это группа преобразований. Всякое построение симметрии связано с введением того или иного равенства. Равенство относительно, и может существовать множество равенств и соответственно множество симметрий.

Наиболее общая характеристика причинно-следственных связей симметрии принадлежит выдающемуся французскому физику П. Кюри, сформулировавшему в 1890 г. основные законы симметрии:

1. Когда какие-либо причины порождают некоторые эффекты, элементы симметрии причин должны обнаруживаться в этих эффектах. Симметрия причин предполагает неизбежное возникновение симметрии следствий.

2. Когда какие-либо эффекты проявляют некоторую дисимметрию или несимметричность, то эта дисимметрия должна обнаруживаться и в причинах, их породивших. Дисимметрия следствий имеет в своей основе дисимметрию причин.

3. Положения, обратные этим двум, как правило, несправедливы.

Список использованных источников

1. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для студентов вузов [Текст]. – 11-е изд., перераб. и доп.– М.: КНОРУС, 2012. – 670 с.

4. Френкель, Е.Н. Концепции современного естествознания : физические, химические и биологические концепции : учеб. пособие [Текст] / Е.Н. Френкель. – Ростов н/Д : Феникс, 2014. – 246 с.

Читайте также: