Законы сохранения занимают особое место среди остальных законов. Они являются фундаментом для любой физической теории. Истинность таких законов напрямую зависит от непротиворечивости самой теории, а роль этих законов в физике огромна.
Свойства пространства и времени
Если серьезно задуматься о таких понятиях, как пространство и время, то возникает множество вопросов, которые обсуждались во время развития естествознания.
Пространство и время считаются одной из самых важных форм бытия материи, без них существование материи невозможно. На земном шаре не существует материи, которая не обладает пространственно-временными свойствами. Таким образом, не существует такого пространства и времени, которые находятся в мире сами по себе или вне зависимости от материи.
Определение пространства звучит, как форма материи, которая характеризуется ее протяженностью, структурностью, а также взаимодействием её элементов в материальных системах. Это понятие выражает сосуществование, протяженность и структурность всех взаимодействующих объектов.
Время является последовательностью изменения состояний и длительности бытия различных объектов и процессов, а также внутренней связи состояний.
Сложные специфические процессы принимаются за единое целое и сопоставляются с иным процессом, таким как колебание маятника часов и движение часовой и минутной стрелок. Для определения отсчета времени используют процесс, который повторяется в определенных чертов, он выбирается за пример и согласно нему сопоставляют с более сложными видами процессов.
Пространство и время являются противоположными, но взаимосвязанными и взаимодополняющими формами материи. Предметы имеют возможность существовать во времени, а также образовывать пространственные структуры. Каждая форма бытия считается образцом для условия следующей.
К тому же пространство и время наделены не только одинаковыми характеристиками, но и достаточно специфическими свойствами, относящиеся конкретно к пространству или времени. Таким образом, их можно рассматривать как отдельные объекты материи.
Наиболее общими свойствами считается структурность, трехмерность пространства, протяженность, необратимость времени и одномерность.
Несмотря на то, что универсальность данных свойств не противоречит принципам материализма, положение невозможно обосновать с логической стороны.
Диалектический подход к изучению таких понятий, как пространство и время, основан на принципах естествознания и вводит в сомнения по поводу полного взгляда на этот вопрос.
Пространственно-временные преобразования
Пространственно-временные преобразования являются одним из принципов симметрии.
Одной из характерных черт физических законов считается то, что они основаны на симметриях. Объект является симметричным в том случае, если в результате преобразований он остается в неизменном виде.
Пространственно-временные преобразования содержат следующие принципы симметрии:
- однородность пространства, предусматриваемая тем, что сдвиг системы отсчета не влияет на изменение физических законов и точки пространства равноправны;
- свойства пространства остаются одинаковыми, так как физические законы не меняются при повороте системы отсчета пространственных координат;
- сдвиг во времени не влияет на изменение физических законов, то есть все моменты времени абсолютно равноправны;
- время однородно (любой период времени можно взять за начало отсчета, данный принцип существует за счет закона сохранения энергии);
- в любой из существующих систем отсчета законы природы одинаковые (данный принцип считается основным положением теории относительности Эйнштейна);
- благодаря принципам симметрии можно произвести переход в иную систему отсчета, которая работает относительно исходной системы;
- зеркальная симметрия природы является отражением пространства в зеркальной среде, она не влияет на изменение физических законов;
- замена частиц на античастицы не оказывает влияние на физические законы и не влияет на характер процессов природы.
Теорема Эмми Нётер и её применение
Теорема была установлена в работах таких учёных, как Давид Гильберт, Феликс Клейн и Эмми Нётер, которая доказала теорему в 1918 году.
Теорема гласит, что для любой симметрии физической системы соответствует определенный закон сохранения. К примеру, закон сохранения энергии относится к однородности времени, а закон сохранения импульса соответствует однородности пространства и так далее.
Эта теорема формулируется, как условие, определяющее существование всех законов сохранения. Следует обратить внимание на то, что данное условие не относится к необходимым. Следовательно, заказы сохранения, которые не связаны с теоремой Нетер, могут существовать.
Формулировка теоремы звучит следующим образом:
Каждой группе диффеоморфизмов, которые сохраняют функцию Лагранжа, соответствует первый интеграл системы, равный:
Рисунок 1. Теорема Эмми Нётер. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Теорему можно использовать при преобразованиях, которые относятся ко времени. В случае, если представить её движение в виде зависимости от определенного параметра, то получит следующую формулу:
Рисунок 2. Теорема Эмми Нётер. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Связь законов сохранения с пространственно-временными преобразованиями
Законы сохранения физических величин являются утверждениями, согласно которым значения некоторых величин не подлежит каким-либо изменениям со временем в любых процессах. Самое важное значение законов сохранения и принципов симметрии определено факту, содержащему возможность опираться на них при построении фундаментальных физических теорий.
Симметрия пространства тесно связана с законом сохранения импульса–импульс, принадлежащий замкнутой системе сохраняется, то есть не изменяется со временем. Экспериментальным путем можно доказать, что он подходит как замкнутых систем, так и для незамкнутых, если геометрическая сумма внешних сил равняется нулю. Закон сохранения импульса фундаментальным законом природы.
Из однородности времени происходит закон сохранения механической энергии: в системе тел, между которыми действуют консервативные силы, сохраняется механическая энергия и не подлежит изменениям с течением времени. Консервативные силы действуют исключительно в потенциальных полях, так как работа не зависит от траектории перемещения, а зависит от начального и конечного положения.
