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早安吉祥
2022年8月17日,星期三,壬寅年七月二十

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六个守恒定律

物理学中的守恒定律指出:孤立物理系统的特定可测量特性不会随着系统随时间的演变而改变。确切的守恒定律包括质量和能量守恒、线性动量守恒、角动量守恒和电荷守恒。还有许多近似守恒定律,适用于质量、宇称、轻子数、重子数、奇异性、超荷电等量。这些量在某些类别的物理过程中是守恒的,但不是全部。

局部守恒定律通常在数学上表示为连续性方程,即给出量的量与该量的传输之间的关系的偏微分方程。它指出,在一个点或一个体积内的守恒量的量只能根据流入或流出该体积的量的量而变化。根据诺特定理,每个守恒定律都与基础物理学中的对称性相关联。

在所有物理学中,只有六个守恒定律。 每个都描述一个守恒的量,即某事发生前后的总量相同。 这些规律有系统封闭的限制,即系统不受外界任何事物的影响。

1. 质能守恒

质能守恒定律是质量守恒定律与能量守恒定律的总称,主要是指在一个孤立系统内所有粒子的相对论静能与动能之和在相互作用过程中保持不变。质能守恒定律充分反映物质和运动的统一性。

质能方程E = mc^2表明物体的质量是它所含能量的度量。质能方程把经典力学中彼此独立的质量守恒和能量守恒定律结合起来,成统一的质能守恒定律。

然而,在经典物理学和相对论物理学中,对质量守恒定律和能量守恒定律这两个基本自然规律的解释是有原则性区别的 。

能量守恒一般表述为:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只会从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到其它物体,而能量的总量保持不变

2. 电荷守恒

电荷守恒是指:对于一个孤立系统,不论发生什么变化 ,其中所有电荷的代数和永远保持不变电荷。电荷守恒定律有两种版本:弱版电荷守恒定律(又称为“全域电荷守恒定律)与强版电荷守恒定律(又称为局域电荷守恒定律)。弱版电荷守恒定律表明,整个宇宙的 总电荷量保持不变,不会随着时间的演进而改变。

3. 线性动量守恒

线性动量表示为物体的质量和速度的乘积,它是运动物体的作用效果,其方向与速度方向相同。动量是一个守恒量,这表示为在一个封闭系统(不受外力或外力向量和为0)内动量的总和不变。平移不变性导致线性动量守恒。

4. 角动量守恒

角动量守恒定律是物理学的普遍定律之一,反映质点和质点系围绕一点或一轴运动的普遍规律;反映不受外力作用或所受诸外力对某定点或定轴的合力矩始终等于零的质点和质点系围绕该点或轴运动的普遍规律。转动不变性导致角动量守恒。

5. 重子数守恒

重子数是一个相加性量子数,在粒子物理学中,反应前后各粒子的重子数之和等于反应之后各粒子的重子数之和,这就是重子数守恒定律。重子数守恒定律对于强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用都是成立的,违反重子数守恒定律的反应是严格禁止的。

6. 轻子数守恒

在轻子参与的所有弱相互作用和电磁相互作用过程中,我们发现存在一个守恒的量子数—称为轻子数。电子e-、μ-和 tao-粒子的轻子数为+1,相应的反粒子的轻子数为-1,其它非轻子粒子的轻子数为0。对所有的反应过程,轻子数的代数和在反应前后不变,并且电子轻子数、μ子轻子数和tao子轻子数分别保持不变。与电荷守恒不同,电荷守恒与电磁相互作用相联系,而轻子数守恒没有已知的相互作用为根据,只是实验上发现它总是守恒。

备注:

1. 能量守恒定律发现于1840年代,它是在5个国家、由各种不同职业的10余位科学家从不同侧面各自独立发现的。其中迈尔、焦耳、亥姆霍兹是主要贡献者。是自然科学中最基本的定律之一,它科学地阐明运动不灭的观点。

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