قوانین بقا در فیزیک

دید کلی:

در دنیای فیزیک هیچ مطلبی اساسیتر و ساده‌تر از قوانین بقا و پایستگی ، نیست. در هر قانون بقا ، مقدار کل یک کمیت فیزیکی معین ، در یک دستگاه مفروض ، تنها به شرط منزوی بودن آن دستگام از تمام اثرهای خارجی ثابت یا پایسته است. مثلا ، بردار اندازه و حرکت کل یک دستگاه منزوی ، ثابت است. تغییرات داخلی در داخل مرزهای یک دستگاه منزوی می‌تواند از طریق برهمکنش متقابل ذرات داخل این دستگاه رخ دهند، ولی این تغییرات اثری در مقدار کل کمیت پایسته ندارند، و توانایی یک بقا ( پایستگی ) نیز در همین مطلب نهفته است. نیازی نیست که به جزئیات آنچه در داخل دستگاه اتفاق می‌افتد بپردازیم. درحقیقت ، می‌توان از بر همکنشهای داخلی دستگاه چشم‌پوشی کرد. ولی اگر دستگاه کاملا منزوی باشد کیفیتهای پایسته تغییر نمی‌کنند. از اینرو می‌دانیم که در فیزیک کلاسیک جرم کل ، انرژی کل ، اندازه حرکت خطی کل ، اندازه حرکت زاویه‌ای کل و بار الکتریکی کل در برخورد دو یا چند ذره مستقل از تاثیر خارجی دقیقا همان جرم کل ، انرژی کل ، اندازه حرکت خطی کل ، اندازه حرکت زاویه‌ای کل و بار الکتریکی کل پس از برخورد خواهند بود. انواع قوانین بقا را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:


قانون بقای جرم:

قانون بقای جرم یکی از قوانین بقای فیزیک کلاسیک است. با وجود تغییراتی که ممکن است در دیگر کمیتهای دستگاه ( مثل انرژی ، حجم و دما ) رخ دهد، جرم کل دستگاه بشرط منزوی و نشت ناپذیر بودن ثابت خواهد بود. به عبارت دیگر می‌توان گفت که جرم نمی‌تواند آفریده شده و یا از بین برود، یا جرم نمی‌تواند تولید و یا نابود شود. البته سیستمهایی وجود دارند که جرم آنها در طول زمان تغییر می‌کند. بعنوان مثال اگر حرکت موشک را در نظر بگیریم، موشک قبل از پرتاب دارای یک مقدار جرم کل خواهد بود. اما بعد از پرتاب سوخت موشک مصرف می‌شود. بنابراین جرم سیستم موشک در این لحظه با جرم آن قبل از پرتاب متفاوت خواهد بود. بنابراین در مورد موشک بشرط منزوی بودن سیستم ساقط می‌گردد، لذا جرم سیستم بقا نخواهد داشت.

با این حال اگر موشک و گازهای خارج شده از آن را کلا بصورت یک سیستم فرض کنیم در اینصورت نیروهایی که گازهای خارج شده و موشک به یکدیگر وارد می‌کنند، در حکم نیروهای داخلی بوده و شرط منزوی بودن سیستم برقرار میشود و باز جرم بقا خواهد داشت. شایان ذکر است که این مطالب فقط در محدوده فیزیک کلاسیک معتبر است. اما در حالتی که سرعت جسم نزدیک به سرعت نور باشد، در اینصورت دیگر در قلمرو فیزیک کلاسیک نخواهیم بود و لذا قانون بقای جرم نقض می‌گردد.


قانون بقای انرژی:

قانون بقای انرژی به این صورت بیان می‌شود که اگز هیچ کاری روی دستگاه انجام نشود و یا دستگاه هیچکاری انجام ندهد، و اگر انرژی گرمایی به صورت گرما نه به دستگاه وارد و به از آن خارج می‌شود، انرژی کل دستگاه ثابت می‌ماند.

چون در محدوده فیزیک کلاسیک ، در نهایت تمام انرژیها را می‌توان بصورت انرژی جنبشی یا انرژی پتانسیل بیان کرد، لذا قانون بقای انرژی بیان می‌کند که در یک دستگاه جمع انرژیهای جنبشی ذرات و انرژیهای پتانسیل بر همکنش متقابل آنها ثابت است، انرژی گرمایی صرفا انرژس مکانیکی نامنظم حرکت گستره‌ای ملکولها و اتمها در چنان مقیاس میکروسکوپیکی است که انرژی جنبشی و پتانسیلی تک تک ذرات از هم متمایز نیستند. بعبارت دیگر می‌توان گفت که قانون اول ترمودینامیک صرفا همان قانون بقای انرژی است که به کاملترین شکل خود بیان می‌شود، این قانون شامل آزمایش‌های مربوط به گرما و انتقال انرژی گرمایی به واسطه اختلاف دماست.


قانون بقای اندازه حرکت خطی:

هرگاه دستگاهی تحت تاثیر هیچ نیروی خارجی خالص نباشد، اندازه حرکت خطی کل آن هم از لحاظ بزرگی و هم از نظر جهت ثابت می‌ماند.
قانون دوم نیوتن بیان می‌کند که هرگاه جسمی تحت تاثیر یک نیروی خارجی خالص قرار بگیرد، آن نیرو برابر است با آهنگ تغییرات اندازه حرکت خطی نسبت به زمان ، هنگامی که جرم تغییر نکند، نیرو بسادگی با حاصلضرب جرم در شتاب برابر خواهد بود.
در فیزیک کلاسیک جرم ذره ثابت است و از سرعت آن و یا هر وضع دیگری مستقل است. بنابراین اگر برآیند کل نیروهای خارجی وارد بر یک جسم صفر باشد، در اینصورت آهنگ تغییرات اندازه حرکت خطی نسبت به زمان صفر خواهد بود. نکته دیگری که باید مورد توجه قرار گیرد این است که وقتی دو جسم بر همکنش میکنند، اندازه حرکت خطی منتقل شده به جسم اول در یک بازو زمانی بینهایت کوچک، برابر و در خلاف جهت اندازه حرکت منتقل شده به جسم دوم، در خلاف همان بازو زمانی است. بنابراین نیروهای کنش و واکنش ، که در اینجا هر دو داخلیاند مساوی و مختلف الجهت هستند.


قانون بقای اندازه حرکت زاویه‌ای:

هر گاه دستگاهی تحت تاثیر گشتاور نیروی خارجی خالص نباشد، اندازه حرکت زواویه‌ای کل آن ، هم از لحاظ بزرگی و هم از نظر جهت ، ثابت خواهد ماند. گشتاور نیرو چنین تعریف می‌شود که هر گاه تحت تاثیر یک گشتاور نیروی خارجی خالص حرکت دورانی انجام دهد، در اینصورت این گشتاور نیرو با آهنگ تغییرات اندازه حرکت زاویهای نسبت به زاویه دوران برابر است. بنابراین اگر بر جسم هیچ گشتاور نیروی خارجی وارد نشود و یا برآیند گشتاور نیروهای خارجی وارد بر یک جسم صفر باشد، در اینصورت آهنگ تغییرات اندازه حرکت زوایه‌ای نسبت به زاویه دوران صفر خواهد بود. و لذا اندازه حرکت زواویه‌ای باید مقداری ثابت باشد. در اینجا نیز مانند مورد اندازه حرکت خطی ، علاوه بر مقدار جهت اندازه حرکت زاویه‌ای نیز مقداری ثابت باشد.


قانون بقای بار الکتریکی:

باز کل یک دستگاه الکتریکی منزوی ثابت است. چون هر مشاهده ، یا اندازه‌گیری روی یک دستگاه ، الزاما با خود آن دستگاه تداخل می‌کند، منزوی شدن کامل یک دستگاه ایده‌آلی است که فقط با تقریب می‌تواند تحقق پیدا کند و هرگز به طور کامل تحققپذیر نیست. بعنوان مثال وقتیکه برای اندازهگیری دمای یک مایع ، دماسنج را در داخل آن قرار می‌دهیم، دماسنج بوسیله مایع گرم یا سرد می‌شود، و مایع در همان زمان سرد یا گرم می‌شود. آنچه دماسنج در پایان نشان می‌دهد دمای واقعی مایع ، قبل از انجام اندازه‌گیری نخواهد بود دمای خوانده شده دمایی است که مایع پس از قرار گرفتن دماسنج به آن رسیده است. اما در فیزیک کلاسیک ، با انجام ماهرانه آزمایش ، همیشه امکان دارد که اغتشاش‌ها را به میزانی کاهش داد که بتوان دستگاه را عملا منزوی در نظر گرفت. در این صورت بار کل بقا خواهد داشت. به عبارت دیگر مانند بقاء انرژی می‌توان گفت که بار نه آفریده می‌شود و نه نابود می‌گردد.


قانون بقای جرم ـ انرژی:

گفتیم که اگر سرعت جسمی بتواند به مقدار نزدیک به سرعت نور برسد، در این صورت از محدوده فیزیک کلاسیک خارج خواهیم شد. در این حالت قوانین بقای جرم و انرژی نقض می‌شود، و در عوض یک قانون واحد بنام قانون بقای جرم ـ انرژی بیان می‌شود. براین اساس هرگاه تغییری در مقدار جرم صورت گیرد، این تغییر بوسیله تغییر انرژی جبران می‌شود، به عنوان مثال اگر جرم کاهش پیدا کند در این صورت به اندازه تغییر جرم انرژی تولید می‌شود و برعکس اگر جرم افزایش پیدا کند، مقداری انرژی به جرم تبدیل شده است. هم ارزی بین جرم و انرژی اولین بار توسط اینیشتن در نظریه نسبت بیان شد.


قانون بقای پاریته:

در مکانیک کوانتومی به هر کمیت فیزیکی یک عملگر نسبت می‌دهند. اما عملگرهای دیگری نیز وجود دارند که اصلا معادل کلاسیکی ندارند. از این جمله می‌توان به عملگر پاریته اشاره کرد. این عملگر براین اساس تعریف می‌گردد که توابع موج فرد یا زوج هستند بنابراین اگر تابع موج زوج یا فرد باشد، در این صورت پاریته نیز زوج خواهد بود. اما پاریته بقا دارد، به این صورت اگر ذره‌ای دارای پاریته زوج باشد همچنان زوج خواهد بود و اگر فرد باشد، همچنان فرد باقی می‌ماند.