Закон сохранения импульса и момента импульса

Для импульса справедлив фундаментальный закон природы, называемый законом сохранения импульса.

В наиболее простом случае закон сохранения импульса может быть сформулирован следующим образом: при взаимодействии двух тел их общий импульс остается неизменным, то есть сохраняется.¹

Из законов Ньютона можно показать, что при движении в пустом пространстве импульс сохраняется во времени, а при наличии взаимодействия скорость его изменения определяется суммой приложенных сил. В классической механике закон сохранения импульса обычно выводится как следствие законов Ньютона. Однако, этот закон сохранения верен и в случаях, когда Ньютоновская механика неприменима (релятивистская физика, квантовая механика). В настоящее время не существует каких-либо экспериментальных фактов, свидетельствующих о невыполнении закона сохранения импульса.

p = m v

Понятие импульса в классической механике характеризует поступательное движение тел, момент импульса вводится для характеристики вращения и является следствием утверждения о том, что свойства окружающего мира не изменяются при поворотах (или повороте системы отсчета) в пространстве.

В случае неравенства нулю момента силы наблюдается весьма «необычное» с точки зрения «здравого смысла» поведение быстро вращающихся тел (их момент импульса направлен по оси вращения) с помещенной на острие осью вращения. Такие тела под действием внешних сил (например, силы тяжести) вместо того, чтобы перемещаться в сторону действия силы, начинают медленно вращаться вокруг острия в перпендикулярной приложенной силе плоскости. Несмотря на то, что подобное поведение является непосредственным следствием законов Ньютона (или еще более общих законов сохранения и симметрии), этот эффект часто не только вызывает удивление у лиц, мало знакомых с точными науками, но и дает им повод рассуждать об «ошибочности современного естествознания вообще и классической физики в частности.¹

Закон сохранения импульса следует из однородности пространства. Все точки пространства равноправны, поэтому перенос системы никак не повлияет на ее свойства.

Закон сохранения момента импульса исходит из изотропности пространства. Свойства пространства одинаковы по всем направлениям, поэтому поворот системы не влияет на ее свойства.²

Закон сохранения электрического заряда

Законам взаимодействия атомов и молекул можно дать объяснение на основе представлений о том, что в природе существуют электрические заряды. Электрические заряды могут появляться не только в результате электризации при соприкосновении тел, но и при других взаимодействиях. В замкнутой системе, в которую не входят заряды, при любых взаимодействиях тел алгебраическая (с учетом знака) сумма электрических зарядов всех тел остается постоянной. Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда. Закон сохранения электрического заряда гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.¹

Закон сохранения заряда выполняется абсолютно точно. На данный момент его происхождение не известно, в частности, не известно с какой симметрией он связан. Требование релятивистской инвариантности приводит к тому, что закон сохранения заряда имеет локальный характер: изменение заряда в любом заданном объёме равно потоку заряда через его границу. В изначальной формулировке был бы возможен следующий процесс: заряд исчезает в одной точке пространства и мгновенно возникает в другой. Однако, такой процесс был бы релятивистски неинвариантен: из-за относительности одновременности в некоторых системах отсчёта заряд появился бы в новом месте до того, как исчез в предыдущем, а в некоторых - заряд появился бы в новом месте спустя некоторое время после исчезновения в предыдущем. То есть был бы отрезок времени, в течение которого заряд не сохраняется. Требование локальности позволяет записать закон сохранения заряда в дифференциальной и интегральной форме.²

В современной физике закон сохранения заряда, как обобщенного закона существуют в частном проявление закона сохранения массы, если учитывать гравитационную массу как заряд гравитационного поля, то следует говорить о законе сохранения гравитационного заряда. И тогда законы сохранения электрического и гравитационного зарядов можно рассматривать, как частные случаи закона сохранения обобщенного заряда. Гравитационная и инертная массы в соответствии с принципом эквивалентности масс в современной физике приравниваются. Нерелевантность данного принципа имеет экспериментальное подтверждение.