简谈科学中的各种守恒定律

科学的故事 2024-12-31 14:52:09

自然界中的某些事物是守恒的,还有一些事物是更加守恒的。

这句奇怪的话是说,自然界中的一些量,在某些种类的过程中守恒,但在其它过程中不守恒;自然界中还有一些量,似乎是绝对守恒的,在任何过程中都保持不变。

人们也把支配第一种量的法则称为守恒定律,但在某些条件下,大自然会违反这些守恒定律。

这类守恒定律的例子有化学中的质量守恒定律与元素守恒定律。在化学变化过程中,这两条守恒定律都成立,但在其它过程中,它们会被违反。

另一个著名的例子是宇称守恒定律。宇称在其它一切过程中都守恒,但在弱相互作用过程中会被违反。

还有一些量,目前看来在一切自然过程中都保持不变,它们是绝对守恒的。

注意,不能绝对的理解这里的绝对一词。它只不过是说,迄今为止,人们还没有发现一个它们不守恒的例子。

这里给出8个绝对守恒定律:

1.能量守恒定律

2.动量守恒定律

3.角动量,包括自旋,守恒定律

4.电荷守恒定律

5.重子数守恒定律

6.轻子数守恒定律

7.色荷守恒定律

8.TCP守恒定律

所以,当我们在中学物理课上学到能量守恒定律,电荷守恒定律,动量守恒定律,以及角动量守恒定律的时候,我们是在学习非常非常了不起的东西。

不过,在绝大多数情况下,物理老师没有向我们传达这一点。

他们也忘记了告诉我们,寻找在变化过程中保持不变的量,是科学探索的一个重要方面。

中学物理中有两个经典的例子,清楚地表明了这一点。

在行星围绕太阳运行的过程中,行星到太阳的距离,行星运动的快慢和方向,都一直在发生变化。

开普勒发现,在这个变化过程中,有一个量始终保持不变,这就是从太阳到行星的连线在单位时间内扫过的面积。

第二个经典的例子,是伽利略对落体运动规律的研究。他发现,有一个量即加速度,在这个变化过程中保持不变。

我们也可以把开普勒和伽利略的发现称为面积守恒定律和加速度守恒定律,只不过,遵守这两个守恒定律的过程,都过于特殊。

但是我们应当意识到,开普勒和伽利略的发现,与电荷守恒和重子数守恒的发现,在本质上是相同的。它们反映的是同一种动力和追求。

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