Закони збереження у Всесвіті
Будь-яке тіло (або сукупність тіл) можна розглядати як систему матеріальних точок, чи частинок. Якщо у системі з часом відбуваються якісь процеси, то кажуть, що змінюється її стан. Стан системи характеризується одночасним встановленням положень (координат) та швидкостей всіх її частинок.
Знаючи закони діючих на частинки системи сил і стан системи у певний початковий час, можна, як свідчить досвід, з допомогою рівнянь руху передбачити її подальшу поведінку, тобто визначити стан системи у кожен момент часу. Так, наприклад, вирішується задача про рух планет Сонячної системи.
Однак детальний розгляд поведінки системи за допомогою рівнянь руху часто буває настільки складним (наприклад, через складність самої системи), що довести розв’язання до кінця є практично неможливим. А в тих випадках, коли закони чинних сил взагалі невідомі, такий підхід у принципі неможливий. З іншого боку, існує низка завдань, в яких детальний розгляд руху окремих частинок немає сенсу (наприклад, рух молекул у газах).
При такому положенні природно, що виникає питання: чи немає якихось загальних принципів, які є наслідком законів Ньютона, які б дозволили інакше підійти до вирішення задач, і допомогли б якоюсь мірою обійти подібні труднощі.
Виявляється, такі засади є. Це так звані «закони збереження».
Як було зазначено, під час руху системи її стан змінюється з часом. Існують, однак, такі величини – функції стану, які мають дуже важливу і чудову властивість зберігатися в часі. Серед цих величин, що зберігаються, найважливішу роль відіграють енергія, імпульс і момент імпульсу. Ці три величини мають важливу загальну властивість адитивності: їх значення для системи, що складається з елементів, взаємодія яких дуже мала, дорівнює сумі значень для кожної з елементів окремо (втім, для імпульсу і моменту імпульсу властивість адитивності виконується і за наявності взаємодії). Саме властивість адитивності і надає цим трьом величинам важливу роль.
Закони збереження енергії, імпульсу та моменту імпульсу мають, як з`ясувалося згодом, дуже глибоке походження, пов`язане з фундаментальними властивостями часу та простору – однорідністю та ізотропністю. А саме: закон збереження енергії пов`язаний з однорідністю часу, а закони збереження імпульсу та моменту імпульсу – відповідно з однорідністю та ізотропністю простору. Сказане слід розуміти тому, що перелічені закони збереження можна отримати з другого закону Ньютона, якщо до нього приєднати відповідні властивості симетрії часу та простору.
Закони збереження енергії, імпульсу і моменту імпульсу належать до тих найбільш фундаментальних принципів фізики, значення яких важко переоцінити. Роль цих законів особливо зросла після того, як з`ясувалося, що вони далеко виходять за рамки механіки і є універсальними законами природи. У всякому разі, досі не виявлено жодного явища, де ці закони порушувалися б. Вони безпомилково «діють» й в області елементарних частинок, й в області космічних об`єктів, у фізиці атома та у фізиці твердого тіла і є одними з небагатьох найбільш загальних законів, які лежать в основі сучасної фізики.
Відкривши можливість іншого підходу до розгляду різних механічних явищ, закони збереження стали дуже потужним та ефективним інструментом дослідження, яким повсякденно користуються фізики. Ця найважливіша роль законів збереження як інструмент дослідження обумовлена низкою причин.
- Закони збереження не залежать ні від траєкторій частинок, ні від характеру діючих сил. Тому вони дозволяють отримати ряд загальних та істотних висновків про розгляданні властивостей різних механічних процесів, не вникаючи в їх детальний розгляд за допомогою рівнянь руху. Якщо, наприклад, з`ясовується, що такий процес суперечить законам збереження, то відразу можна стверджувати: цей процес неможливий і безглуздо намагатися його здійснити.
- Той факт, що закони збереження не залежать від характеру чинних сил, дозволяє їх використовувати навіть тоді, коли сили взагалі невідомі. У цих випадках закони збереження є єдиним та незамінним інструментом дослідження. Так, наприклад, працює фізика елементарних частинок.
- Навіть у тих випадках, коли сили точно відомі, закони збереження можуть надати істотну допомогу при вирішенні багатьох завдань про рух частинок. Хоча всі ці завдання можуть бути вирішені за допомогою рівнянь руху (в цьому відношенні із законів збереження ми не отримаємо ніякої додаткової інформації), залучення законів збереження дуже часто дозволяє отримати рішення найпростішим і витонченим шляхом, позбавляючи нас громіздких і стомлюючих розрахунків. Тому при вирішенні нових завдань зазвичай прийнято дотримуватися наступного порядку: перш за все один за другим застосовують відповідні закони збереження і, тільки переконавшись, що цього недостатньо, переходять до вирішення задачі за допомогою рівнянь руху.