Conservazione

Conservazione

Legge di conservazione: legge che esprime il mantenersi costante del valore di una grandezza fisica in un sistema isolato che subisce una trasformazione; per es. conservazione dell'energia, dell'impulso, del momento angolare, ecc.

Le leggi di conservazione si possono dividere in due classi: si hanno leggi di conservazione esatte quando la quantità che si conserva, o costante del moto, assume esattamente lo stesso valore nello stato iniziale e finale di un sistema isolato che subisce un processo di trasformazione qualsiasi; soddisfano a leggi di conservazione esatte il momento angolare, l'energia, l'impulso, la carica elettrica, il numero barionico, il numero leptonico. Se invece una grandezza fisica è una costante del moto solo per determinati processi, allora si parla di leggi di conservazione approssimate: per es., nelle interazioni tra particelle subatomiche la parità si conserva solo in quei processi in cui non intervengono le interazioni deboli; analogamente lo spin isotopico è una costante del moto nei processi in cui intervengono solo le interazioni forti.

Le leggi di conservazione sono intimamente legate ai princìpi di invarianza, o simmetrie; si può dimostrare che ogni principio di invarianza comporta l'esistenza di certe costanti del moto.

La conservazione del momento angolare in un sistema isolato è connessa alla simmetria per rotazioni che esprime l'indipendenza di ogni processo da ogni possibile rotazione del sistema.

La conservazione dell'energia e dell'impulso di un sistema isolato è una conseguenza dell'isotropia dello spazio-tempo nel senso che ogni processo di trasformazione non è influenzato da una traslazione nello spazio o nel tempo del sistema; in altri termini la conservazione dell'energia è una conseguenza della simmetria per traslazioni temporali mentre la conservazione dell'impulso dipende dalla simmetria per traslazioni spaziali.

La conservazione della carica elettrica in un sistema isolato può essere dedotta dal fatto che il potenziale elettrostatico è definito a meno di una costante arbitraria; quindi ogni modificazione del valore assoluto del potenziale non influenza i processi di interazione fra particelle cariche. Questo principio di simmetria può essere formulato in maniera più generale per mezzo delle equazioni di Maxwell e prende il nome di invarianza di gauge.

La conservazione della parità in un sistema isolato è legata alla simmetria per riflessioni speculari. Guardando in uno specchio piano l'immagine di un sistema che subisce un processo di trasformazione, si osserva l'immagine speculare di questo processo; se tale immagine speculare rappresenta un processo che può effettivamente manifestarsi in natura, allora esiste una simmetria per riflessioni speculari; questa simmetria non vale per i processi in cui intervengono le interazioni deboli, in quanto in tal caso l'immagine speculare del processo non rappresenta un processo osservabile in natura. La simmetria per riflessioni è dunque una simmetria approssimata, quindi è tale anche la conservazione della parità.

La conservazione dello spin isotopico totale in un sistema di particelle subatomiche è dovuta al fatto che nei processi in cui intervengono solo le interazioni forti il protone e il neutrone si comportano come la medesima particella, il nucleone, per cui il processo non viene influenzato se si sostituisce a un protone un neutrone o viceversa; tale simmetria, nota come indipendenza delle interazioni forti dalla carica, non è più valida quando le interazioni elettromagnetiche non sono trascurabili, perché il protone e il neutrone hanno cariche elettriche differenti e quindi interagiscono in maniera diversa con il campo elettromagnetico.