СОХРАНЕ́НИЯ ЗАКО́НЫ

СОХРАНЕ́НИЯ ЗАКО́НЫ, фи­зич. за­ко­но­мер­но­сти, ут­вер­ждаю­щие по­сто­ян­ст­во во вре­ме­ни фи­зич. ве­ли­чин, от­но­ся­щих­ся к изо­ли­ро­ван­ной сис­те­ме (т. е. к сис­те­ме, взаи­мо­дей­ст­ви­ем ко­то­рой с др. фи­зич. сис­те­ма­ми мож­но пре­неб­речь). Важ­ней­шие С. з. уни­вер­саль­ны, спра­вед­ли­вы для лю­бых фи­зич. сис­тем; это С. з. энер­гии, им­пуль­са, мо­мен­та им­пуль­са, элек­трич., леп­тон­но­го и ба­ри­он­но­го за­ря­дов. Кро­ме уни­вер­саль­ных, су­ще­ст­ву­ют при­бли­жён­ные С. з., спра­вед­ли­вые для ог­ра­ни­чен­но­го кру­га яв­ле­ний и сис­тем. Та­ко­вы, напр., С. з. чёт­но­сти, изо­то­пич. спи­на, стран­но­сти, оча­ро­ва­ния.

Идея со­хра­не­ния пер­во­на­чаль­но воз­ник­ла в ан­тич­но­сти как чис­то фи­лос. до­гад­ка о су­ще­ст­во­ва­нии по­сто­ян­но­го не­из­мен­но­го на­ча­ла на фо­не раз­но­об­раз­ных из­ме­не­ний, про­ис­хо­дя­щих в ми­ре. Она офор­ми­лась в по­ня­ти­ях не­унич­то­жи­мой и не­со­тво­ри­мой ма­те­рии и веч­но­го дви­же­ния как важ­ней­ше­го её свой­ст­ва. К сер. 19 в. со­хра­не­ние ма­те­рии и дви­же­ния бы­ло сфор­му­ли­ро­ва­но в ви­де С. з. мас­сы и энер­гии. Даль­ней­шая эво­лю­ция этих С. з. свя­за­на с со­зда­ни­ем от­но­си­тель­но­сти тео­рии. В ней инерт­ная мас­са m те­ла за­ви­сит от его ско­ро­сти и ха­рак­те­ри­зу­ет не толь­ко ко­ли­че­ст­во ма­те­рии, но и её дви­же­ние. Со­от­вет­ст­вен­но, со­хра­ня­ет­ся т. н. пол­ная энер­гия ℰ, обоб­щаю­щая по­ня­тие ки­не­тич. энер­гии клас­сич. ме­ха­ни­ки и свя­зан­ная с мас­сой m со­от­но­ше­ни­ем Эйн­штей­на ℰ=mc² (c – ско­рость све­та). Та­ким об­ра­зом, С. з. энер­гии в тео­рии от­но­си­тель­но­сти объ­е­ди­ня­ет С. з. мас­сы и энер­гии клас­сич. ме­ха­ни­ки.

При­мер энер­гии слу­жит луч­шей ил­лю­ст­ра­ци­ей уни­вер­саль­но­сти С. з. Ут­вер­ж­де­ние о со­хра­не­нии энер­гии не за­ви­сит ни от фор­мы, в ко­то­рой она про­яв­ля­ет­ся (ме­ха­нич., те­п­ло­вая, элек­тро­маг­нит­ная, ядер­ная и др.), ни от кон­крет­ной сис­те­мы, к ко­то­рой она от­но­сит­ся (эле­мен­тар­ные час­ти­цы, мак­ро­ско­пич. те­ла, звёз­ды, га­лак­ти­ки). Та­кая уни­вер­саль­ность де­ла­ет С. з. важ­ной со­став­ной ча­стью лю­бой фи­зич. тео­рии и по­лез­ным ин­ст­ру­мен­том при ис­сле­до­ва­нии но­вых яв­ле­ний. Столк­нув­шись с ка­жу­щим­ся на­ру­ше­ни­ем к.-л. С. з., совр. фи­зи­ка тща­тель­но ана­ли­зи­ру­ет воз­мож­ные аль­тер­на­тив­ные объ­яс­не­ния это­го яв­ле­ния, пре­ж­де чем от­ка­зать­ся от С. з. Напр., имен­но на та­ком пу­ти в 1931 бы­ло пред­ска­за­но су­ще­ст­во­ва­ние ней­три­но как аль­тер­на­ти­ва не­со­хра­не­нию энер­гии в β-рас­па­де.

Все С. з. по­черп­ну­ты из опы­та, яв­ля­ясь ко­ли­че­ствен­ной фор­му­ли­ров­кой эм­пи­риче­ски най­ден­ных за­ко­но­мер­но­стей. Кван­то­вая фи­зи­ка да­ла но­вый класс та­ких за­ко­но­мер­но­стей, спе­ци­фи­ка ко­то­рых со­сто­ит в том, что на опы­те со­всем не на­блю­да­ют­ся или на­блю­да­ют­ся с ма­лой ве­ро­ят­но­стью не­ко­то­рые ре­ак­ции, не за­пре­щае­мые ни­ка­ки­ми уже из­вест­ны­ми С. з. В свя­зи с этим и вы­дви­га­ет­ся но­вый С. з. (точ­ный или спра­вед­ли­вый лишь для не­ко­то­рых ти­пов взаи­мо­дей­ст­вий), за­пре­щаю­щий та­кие ре­ак­ции. Та­ко­во про­ис­хо­ж­де­ние С. з. ба­ри­он­но­го и леп­тон­ных за­ря­дов, стран­но­сти, изо­то­пич. спи­на, оча­ро­ва­ния и др. Чёт­ность, стран­ность, изо­то­пич. спин, оча­ро­ва­ние со­хра­ня­ют­ся в про­цес­сах силь­но­го взаи­мо­дей­ст­вия, про­те­каю­щих за вре­мя по­ряд­ка 10^–23–10^–24 c и не со­хра­ня­ют­ся в про­цес­сах сла­бо­го взаи­мо­дей­ст­вия, ха­рак­тер­ное вре­мя ко­то­рых по­ряд­ка 10^–10 c (изо­то­пич. спин не со­хра­ня­ет­ся и в элек­тро­маг­нит­ных взаи­мо­дей­ст­ви­ях).

От­кры­тие при­бли­жён­ных, не уни­вер­саль­ных С. з. при­ве­ло к ис­сле­до­ва­ни­ям точ­но­сти, с ко­то­рой С. з. ус­та­нов­ле­ны на опы­те. Для энер­гии луч­шую точ­ность да­ёт эф­фект Мёс­сбау­эра – ре­зо­нанс­ное по­гло­ще­ние γ-кван­тов яд­ра­ми, при ко­то­ром их энер­гия ℰ со­глас­но С. з. долж­на сов­пасть с раз­но­стью энер­гий ℰ₂-ℰ₁ воз­бу­ж­дён­но­го и осн. уров­ней по­гло­щаю­ще­го яд­ра. На­ли­чие эф­фек­та ука­зы­ва­ет на вы­пол­не­ние С. з. энер­гии, а его точ­ность оп­ре­де­ля­ет­ся от­но­ше­ни­ем ши­ри­ны Δℰ воз­бу­ж­дён­но­го уров­ня к энер­гии ℰ; для ядер ⁵⁷Fe она со­став­ля­ет 10^–15.

Про­вер­ка С. з. элек­трич. за­ря­да со­стоя­ла в по­ис­ках за­пре­щён­но­го толь­ко этим за­ко­ном рас­па­да элек­тро­на на ней­три­но и γ-квант. За неск. ме­ся­цев на­б­лю­де­ний за элек­тро­на­ми ато­мов ио­да в кри­стал­ле NaI не про­изош­ло ни од­но­го рас­па­да. Это со­от­вет­ст­ву­ет то­му, что элек­трон не те­ря­ет сво­его за­ря­да по край­ней ме­ре за 3,5·10²³ лет. Ана­ло­гич­но С. з. ба­ри­он­но­го за­ря­да про­ве­рял­ся в по­ис­ках за­пре­щён­но­го толь­ко им рас­па­да про­то­на на π⁺-ме­зон и γ -квант. Экс­пе­рим. точ­ность здесь ещё вы­ше: про­тон не те­ря­ет ба­ри­он­но­го за­ря­да ми­ни­мум за 10³⁰ лет. На опы­те не на­блю­да­лось ни од­но­го пе­ре­хо­да, на­ру­шаю­ще­го С. з. леп­тон­но­го за­ря­да. Од­на­ко из-за низ­кой ин­тен­сив­но­сти леп­тон­ных про­цес­сов ко­ли­че­ст­вен­ные оцен­ки по чис­лу со­бы­тий да­ют го­раз­до мень­шую точ­ность (сте­пень на­ру­ше­ния <10^–2–10^–3).

Нё­тер тео­ре­ма свя­зы­ва­ет ка­ж­дый С. з. с фун­дам. прин­ци­пом сим­мет­рии. Так, уни­вер­саль­ные С. з. энер­гии и им­пуль­са свя­за­ны со­от­вет­ст­вен­но с од­но­род­но­стью вре­ме­ни и про­стран­ст­ва, т. е. с тем, что на­ча­ло от­счё­та в нём мож­но вы­би­рать про­из­воль­но: ни­ка­кие фи­зич. эф­фек­ты не за­ви­сят от та­ко­го вы­бо­ра. Ана­ло­гич­но, с от­сут­ст­ви­ем вы­де­лен­ных на­прав­ле­ний в про­стран­ст­ве свя­зан С. з. мо­мен­та им­пуль­са. Экс­пе­рим. про­вер­ка та­ких С. з. – это про­вер­ка со­от­вет­ст­вую­щих фун­дам. свойств про­стран­ст­ва-вре­ме­ни. Др. уни­вер­саль­ные С. з. – элек­трич., ба­ри­он­но­го и леп­тон­но­го за­ря­дов – свя­за­ны не со свой­ст­вом про­стран­ст­ва-вре­ме­ни, в ко­то­ром на­хо­дят­ся час­ти­цы, а с внут­рен­ни­ми сим­мет­рия­ми са­мих час­тиц, точ­нее с сим­мет­ри­ей фи­зич. за­ко­нов от­но­си­тель­но спец. фа­зо­вых пре­об­ра­зо­ва­ний фи­зич. ве­ли­чин, опи­сы­ваю­щих час­ти­цы (или сис­те­мы час­тиц), об­ла­даю­щие та­ки­ми за­ря­да­ми.