Чому, наприклад, закони механіки Ньютона не можна застосовувати для описання руху мікрочастинок? Це ж закони! Але згадаємо, як будується фізична теорія.

Якщо ми вивчаємо певний фізичний процес (спостерігаємо за ним, здійснюємо експерименти, виконуємо розрахунки), то не намагаємось охопити всі явища, що спостерігаються в ході цього процесу, не враховуємо вплив усіх чинників. Ми обираємо лише чинники, які, на нашу думку, суттєво впливають на процес, тобто будуємо фізичну модель процесу. Використання моделі дає нам змогу пояснити природу цілої низки фізичних явищ, сформулювати закони, яким вони підкоряються. Сукупність фізичних законів утворює фізичну теорію.

Оскільки для створення теорії ми використовуємо фізичну модель процесу, а наші знання про цей процес обмежені певною кількістю відомих на даний час фактів, то не дивно, що згодом накопичаться нові факти, які вже не будуть укладатися в межі створеної нами теорії. Тобто виявиться, що наша теорія має межі застосування. Нові факти ведуть до створення нової теорії, яка зазвичай містить попередню теорію як складову, а не суперечить їй.

Простір і час є своєрідною ареною, на якій «розігруються» всі явища та процеси у Всесвіті. Тому не дивно, що саме з фундаментальними властивостями простору і часу пов’язані найважливіші закони Всесвіту — закони збереження. Ці закони називають фундаментальними, адже їм підкоряються як об’єкти макросвіту, так і об’єкти мікро- та мегасвіту, — ці закони справджуються під час будь-якої взаємодії.

Тривалий час учені інтуїтивно здогадувалися, що кожен закон збереження пов’язаний із певною симетрією у Всесвіті.

У 1918 р. видатний німецький математик Еммі Амалі Нетер (1882-1935) довела теорему, згідно з якою кожній неперервній симетрії фізичної системи відповідає певний закон збереження. Так, закон збереження енергії є наслідком однорідності часу* — симетрії відносно зсуву в часі; закон збереження імпульсу є наслідком однорідності простору — симетрії відносно перенесення в просторі.

Однорідність простору і часу означає, що фізичні властивості та явища є однаковими в будь-якій точці простору, в будь-який момент часу.

Одним із наслідків законів збереження є передбачення неможливості деяких процесів, адже ці закони дозволяють зробити узагальнені висновки навіть без детальної інформації. Наприклад, ми знаємо про неможливість створення вічного двигуна: власне ідея його існування суперечить закону збереження і перетворення енергії.

Ви знаєте про три фундаментальні закони збереження: закон збереження і перетворення енергії, закон збереження імпульсу, закон збереження електричного заряду. Розглянемо прояви закону збереження і перетворення енергії.

Розглядаємо прояви закону збереження і перетворення енергії

Закон збереження і перетворення енергії свідчить, що енергія нікуди не зникає, нізвідки не виникає, вона лише передається від одного тіла до іншого, перетворюється з одного виду на інший. Згадаємо види енергії:

Закон збереження енергії для теплових процесів. Закон збереження енергії стверджує, що кількість енергії при будь-якому її перетворенні залишається незмінною. Але прагнення до рівноваги означає, що в подій є певний хід: тепло передається від нагрітих тіл до холодних; не може м’яч, що лежить на столі, самостійно почати рухатись, не може тіло нагрітися, якщо йому не передати певної кількості теплоти.

Закон збереження енергії для теплових процесів можна сформулювати так: неможливо перевести теплоту від більш холодної системи до більш гарячої за відсутності інших одночасних змін в обох системах або в оточуючих тілах.

Вивчаючи різні механічні й теплові процеси, можна зробити висновок, що головний фундаментальний закон фізики - це закон збереження енергії. Під час усіх явищ, які відбуваються у природі, енергія не виникає і не зникає, вона тільки перетворюється з одного виду на інший, кількісно залишаючись незмінною.

Уявлення про частинки заряду дають підстави стверджувати, що заряд зберігається. Коли тіла заряджаються шляхом тертя, то заряджені частинки переносяться від одного тіла до іншого. Той заряд, який набуває одне тіло, інше тіло втрачає. Коли пластини електричних терезів заряджаються від батареї гальванічних елементів, то остання переносить заряд від однієї пластини до іншої. Заряди пластин рівні й протилежні за знаком.

За деяких дуже незвичайних обставин можна «створювати» заряджені частинки, але ми побачимо, що вони завжди утворюються парами, і заряд однієї частинки дорівнює за значенням і протилежний за знаком до заряду другої. Іноді природа сама «створює» заряджені частинки, наприклад нейтрон перетворюється на протон і електрон. Повний заряд дорівнює нулю до і після перетворення.

Досліди і наявні дані спостережень показують, що повна кількість заряду ніколи не змінюється. Подібно до закону збереження енергії, збереження заряду є законом природи, що поширюється на всі явища, які ви знаєте.

Отже, під час електризації тіл справджується фундаментальний закон природи, який називають законом збереження електричного заряду. Цей закон справджується лише для електрично ізольованих, або замкнутих, систем, які не обмінюються електричними зарядами з тілами чи частинками, що не входять до цих систем.

У замкнутій системі заряджених тіл алгебраїчна сума зарядів залишається сталою.

Якщо окремі заряди позначити через q1, q2, q3 ... qn, то

q1 + q2 + q3 + ... + qn = const.

Із цього закону також випливає, що під час взаємодії заряджених тіл не може виникнути чи зникнути заряд тільки одного знака. Виникнення позитивного електричного заряду завжди супроводжується появою такого самого за модулем негативного електричного заряду.

Закон збереження заряду встановив у 1750 р. американський учений і видатний політичний діяч Бенджамін Франклін. Він також уперше ввів поняття про позитивні й негативні електричні заряди, позначивши їх знаками «+» і «-».

Одним з основних законів природи є закон збереження маси та енергії:

сумарні маса та енергія, що вступили в реакцію, дорівнюють сумарній масі та енергії продуктів реакції.

По суті, це є універсальний закон, але, як правило, його розділяють на два. Хімія має справу із законом збереження маси, а фізика - із законом збереження енергії.

Закон збереження маси: маса речовин, що вступили в реакцію, дорівнює масі речовин, що утворилися внаслідок реакції.

Цей закон не є точним, адже він не враховує зміну маси під час виділення або поглинання енергії. Однак під час хімічних процесів зміна маси така мізерна, що нею просто нехтують.

З точки зору атомно-молекулярної теорії закон збереження маси пояснюють так: під час перебігу хімічних реакцій атоми не зникають і не з’являються, а відбувається їхнє перегрупування.

Усю доступну для спостереження частину матеріального світу називають Всесвітом. Усі об’єкти Всесвіту та властиві їм явища наука поділяє на три якісно різні рівні: мікросвіт, макросвіт і мегасвіт.

Усі фізичні явища та існування об’єктів Всесвіту можна пояснити на основі фундаментальних видів взаємодій: гравітаційної, електромагнітної, сильної, слабкої.

Всесвіт існує в просторі та часі, властивостями яких пояснюється існування фундаментальних законів збереження — законів, яким підкоряються всі процеси будь-якого структурного рівня Всесвіту. До таких законів належать, наприклад, закон збереження і перетворення енергії та закон збереження імпульсу.

Кожна фізична теорія має межі застосування. З появою нових знань створюється нова теорія, яка зазвичай містить попередню теорію як складову.

1. Наведіть приклади об’єктів кожного зі структурних рівнів Всесвіту. 

2. Яка теорія переважно описує мікросвіт? макросвіт? мегасвіт? 

3. Чому кожна фізична теорія має межі застосування? 

4. Які фундаментальні взаємодії ви знаєте? Наведіть приклади їх проявів. 

5. З якою властивістю простору або часу пов’язаний закон збереження і перетворення енергії? закон збереження імпульсу? 

6. Які існують види енергії? 

7. Наведіть приклади проявів закону збереження та перетворення енергії. 

8. У чому суть закону збереження енергії для теплових процесів?

9. Що пояснює закон збереження електричного заряду?

10. Який зміст закону збереження маси речовини?

11. Яку формулу вивів Ейнштейн і про що вона свідчить?