Zákony zachování ve fyzice: definice, typy a příklady
Objevte přehled zákonů zachování ve fyzice: definice, typy a srozumitelné příklady energie, hmoty, náboje a hybnosti.
Zákon zachování je základní tvrzení ve fyzice, které říká, že množství určité veličiny zůstává v uzavřeném systému v čase konstantní. Může jít o jednoduchou, dobře měřitelnou veličinu, jako je hmotnost nebo náboj, nebo o veličiny, které je třeba počítat, jako je energie nebo úhlový moment. Zákony zachování umožňují předpovídat chování systémů bez znalosti všech mikroskopických detailů a tvoří páteř mnoha fyzikálních teorií.
Například zákon zachování hmoty říká, že celkové množství hmoty v uzavřeném systému se nemění, i když hmota může měnit svůj stav či chemické složení (např. při chemických reakcích). To lze pojmout tak, že kdybychom mohli přesně změřit hmotnost vesmíru v daném okamžiku, její hodnota by se podle tohoto zákona v čase neměnila. Je ale důležité rozlišovat klasickou představu zachování hmoty od moderní fyziky: v relativistické teorii se hmotnost může měnit tím, že hmota a energie se vzájemně přeměňují; místo čisté „hmoty“ se tedy často uplatňuje přesnější pojem zachování energie (hmotnost–energie).
Hlavní typy zákonů zachování
- Zachování energie – celková energie izolovaného systému (kinetická + potenciální + vnitřní + pole apod.) zůstává konstantní. V klasické mechanice je to důsledek nezávislosti fyzikálních zákonů na posunu v čase.
- Zachování hybnosti – celková lineární hybnost izolovaného systému se nemění; souvisí se symetrií vůči prostorovým posunům.
- Zachování momentu hybnosti – také nazývané zachování úhlového momentu; platí při symetrii vůči rotacím.
- Zachování elektrického náboje – celkový elektrický náboj v uzavřeném systému je konstantní; přímo souvisí s místní gauge symetrií v elektrodynamice.
- Konzervované kvantové čísla – v částicové fyzice se uplatňují zachování baryonového a leptonového čísla (v rámci Standardního modelu v běžných procesech), izospinu, kolorového náboje v kvantové chromodynamice apod.
Noetherova věta — důsledek symetrií
Noetherova věta spojuje symetrie fyzikálního zákona se zákony zachování: každá spojitá symetrie akce systému vede k nějakému zachování. Například časová translace → zachování energie, prostorová translace → zachování hybnosti, rotační symetrie → zachování momentu hybnosti. Tato věta vysvětluje, proč jsou zákony zachování tak univerzální a proč souvisí s invariancemi přírody.
Místní vs. globální zachování a spojitá formulace
Zákony zachování lze často formulovat ve formě kontinuitní rovnice: ∂ρ/∂t + ∇·j = 0, kde ρ je hustota konzervované veličiny a j je odpovídající tok. Tato lokální forma říká, že změna množství v daném objemu je způsobena pouze tokem přes hranici. Globální zachování potom plyne integrací této rovnice přes celý uzavřený objem.
Výjimky, omezení a kontext
- Uzavřený vs. otevřený systém: Zákony zachování platí přesně pouze pro uzavřené (izolované) systémy. V otevřených systémech může docházet k přísunu nebo odvodu veličin přes hranici.
- Relativita a kosmologie: V obecné teorii relativity je formulace „globální“ energie komplikovaná, protože v zakřiveném časoprostoru nemusí existovat dobře definovaná konzervovaná globální energie pro celý vesmír (ale lokální zachování energie–hybnosti je vyjádřeno pomocí kovariantní divergencí tenzoru energie–hybnosti).
- Porušení a aproximace: Některá „konzervovaná“ kvantová čísla jsou pouze aproximativní — například v některých hypotetických procesech nebo v teoriích za Standardním modelem může docházet k porušení baryonového či leptonového čísla. Také v kvantových měřeních a při interakcích s okolím se může zdát, že konzervace „selhává“, protože systém není izolovaný.
- Nezachované veličiny: Některé veličiny, jako je entropie, se obecně nezachovávají — ve skutečnosti entropie izolovaného systému podle druhého zákona termodynamiky neklesá.
Příklady a aplikace
- V mechanice srážky — zachování hybnosti a energie (při elastických srážkách) umožňuje předpovědět rychlosti po srážce.
- V elektrodynamice — zachování náboje je základ pro kontinuitní rovnici a pro Maxwellovy rovnice.
- Ve jaderné a částicové fyzice — zachování energie, hybnosti a příslušných kvantových čísel určuje, které reakce jsou povoleny či zakázány.
- V inženýrství a technologii — principy zachování jsou používány při návrhu strojů, systémů řízení, energetických bilancí a simulacích.
Zákony zachování patří mezi nejstabilnější a nejspolehlivější principy fyziky. I když se zpřesněním teorií mění interpretace některých konkrétních veličin (např. pojetí hmotnosti v relativitě), obecný princip, že určité veličiny jsou zachovány díky symetriím přírody, zůstává jádrem fyzikálního myšlení.
Historie
Dlouhou dobu si lidé mysleli, že tyto zákony platí pro množství hmoty a energie ve vesmíru. Později Albert Einstein řekl, že nejsou zcela pravdivé. Řekl, že hmota se může měnit v energii (nebo naopak). Pokud by se tak stalo, bylo by to v rozporu se zákony zachování, protože pokud by se hmota změnila na energii, celkové množství hmoty by se snížilo a celkové množství energie by se zvýšilo.
Einstein řekl, že zákony zachování lze použít i v případě, že se veškerá hmota a energie spojí. Řekl, že i když se hmotnost nebo energie mění, jejich součet se po sečtení nemění. Nyní tedy existuje pouze jeden zákon zachování pro hmotu a energii dohromady.
Problémy
Hmotnost se samozřejmě měří v kilogramech a energie v joulech. Nelze je přímo sčítat, ale Einstein našel způsob, jak je sčítat. Vytvořil rovnici E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}}. 
. Tato rovnice znamená, že před sečtením množství hmoty s množstvím energie je třeba hmotnost vynásobit rychlostí světla a poté opět rychlostí světla.
Účel
Některé z věcí, o nichž se předpokládá, že jsou zachovány, jsou:
- hybnost
- hmotnost a energie sečtené dohromady
- Zachování energie
- Zachování hmotnosti
- úhlový moment
- nabíjení
Zákony zachování jsou pro lidi užitečné, když řeší problémy ve fyzice. Pokud totiž vědí, že se daná věc zachovává, získají více matematických informací o věci, o které řeší problém.
Emmy Noether ukázal, že zákony zachování lze považovat za důsledek symetrie fyzikálních zákonů. Tato věta, nazývaná Noetherova věta, dává fyzikům mimořádně mocný nástroj k řešení složitých problémů.
Například:
- Protože neexistuje absolutní poloha, ale pouze relativní poloha, můžeme získat, že celková hybnost uzavřené soustavy se zachovává.
- Protože neexistuje absolutní čas, ale pouze čas relativní, můžeme dostat, že celková energie uzavřeného systému se zachovává.
- Protože v prostoru neexistuje absolutní orientace ani preferovaný směr, ale pouze relativní orientace, můžeme dostat, že celkový úhlový moment hybnosti uzavřené soustavy se zachovává.
- Existují složitější symetrie, jako je lokální invariace měřidla, které vedou k zachování náboje.
Typy zákonů zachování
Zákony zachování mohou být dvojího typu, globální nebo lokální.
Globální ochrana přírody
Globální zákon zachování pouze říká, že celkové množství něčeho ve vesmíru se v čase nemění.
Místní ochrana přírody
Místní zákon o ochraně přírody říká o něco víc. Říká, že pokud se množství něčeho na jednom místě změnilo, je to proto, že se to do tohoto místa přesunulo nebo z něj odešlo, a my tento pohyb můžeme změřit.
Otázky a odpovědi
Otázka: Co ve fyzice znamená pojem "zákon zachování"?
Odpověď: Zákon zachování je tvrzení používané ve fyzice, které říká, že množství něčeho se v čase nemění.
Otázka: Jaké jsou příklady věcí, které lze podle zákonů zachování zachovat?
Odpověď: Některé příklady věcí, které lze zachovat podle zákonů zachování, jsou hmotnost, náboj, energie a moment hybnosti.
Otázka: Co je to "zákon zachování hmotnosti"?
Odpověď: "Zákon zachování hmotnosti" je zákon zachování, který říká, že množství hmoty se vždy zachovává, i když se změní na jinou formu.
Otázka: Mění se množství hmoty v čase podle "zákona zachování hmoty"?
Odpověď: Ne, množství hmoty se podle "zákona zachování hmoty" v čase nemění.
Otázka: Kdyby bylo možné změřit hmotnost vesmíru právě teď, byla by jeho hmotnost známa zítra?
Odpověď: Ano, kdyby bylo možné změřit hmotnost vesmíru právě teď, byla by jeho hmotnost zítra známa, protože se podle "zákona zachování hmotnosti" nezmění.
Otázka: Zachovává se energie podle zákonů zachování?
Odpověď: Ano, energie se může zachovávat podle zákonů zachování.
Otázka: Mohou se podle zákonů zachování zachovávat věci, které je třeba vypočítat, jako je úhlová hybnost?
Odpověď: Ano, věci, které se musí vypočítat, jako je úhlová hybnost, se mohou zachovávat podle zákonů zachování.
Vyhledávání