Behoudswet

Geschiedenis

Lange tijd heeft men gedacht dat deze wetten waar waren voor de hoeveelheid massa en energie in het heelal. Later zei Albert Einstein dat ze niet helemaal waar waren. Hij zei dat massa in energie kon veranderen (of omgekeerd). Als dat zou gebeuren, zou dat in strijd zijn met de behoudswetten, want als massa in energie zou veranderen, zou de totale hoeveelheid massa afnemen, en de totale hoeveelheid energie toenemen.

Einstein zei dat behoudswetten nog steeds konden worden toegepast als alle massa en alle energie werden samengevoegd. Hij zei dat ook al verandert de massa of verandert de energie, de som wanneer ze bij elkaar worden opgeteld niet verandert. Dus nu is er slechts één behoudswet voor massa en energie samen.

Problemen

Natuurlijk wordt massa gemeten in kilogrammen, en energie in joules. Ze kunnen niet direct bij elkaar worden opgeteld, maar Einstein vond een manier om ze bij elkaar op te tellen. Hij stelde de vergelijking E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} . Deze vergelijking houdt in dat voordat de hoeveelheid massa bij de hoeveelheid energie wordt opgeteld, de massa met de lichtsnelheid moet worden vermenigvuldigd en daarna nog eens met de lichtsnelheid.

Doel

Sommige van de dingen waarvan gedacht wordt dat ze bewaard blijven zijn:

• momentum
• massa en energie bij elkaar opgeteld
• Behoud van energie
• Behoud van massa
• impulsmoment
• lading

Behoudswetten zijn nuttig voor mensen wanneer zij problemen in de natuurkunde oplossen. Dit komt omdat als zij weten dat iets behouden blijft, zij meer wiskundige informatie krijgen over datgene waar zij een probleem over maken.

Emmy Noether toonde aan dat men kan zeggen dat behoudswetten voortvloeien uit symmetrieën in de wetten van de natuurkunde. Deze stelling, die de stelling van Noether wordt genoemd, geeft natuurkundigen een uiterst krachtig instrument in handen om ingewikkelde problemen op te lossen.

Bijvoorbeeld:

• Aangezien er geen absolute positie is, alleen relatieve positie, kan men stellen dat het totale impulsmoment van een gesloten systeem behouden blijft.
• Aangezien er geen absolute tijd bestaat, alleen relatieve tijd, kunnen we stellen dat de totale energie van een gesloten systeem behouden blijft.
• Aangezien er geen absolute oriëntatie of voorkeursrichting in de ruimte bestaat, alleen relatieve oriëntatie, kunnen we stellen dat het totale impulsmoment van een gesloten systeem behouden blijft.
• Er zijn meer verfijnde symmetrieën, zoals lokale ijkinvariantie, die leiden tot het behoud van lading.

Soorten behoudswetten

Er zijn twee soorten behoudswetten: globale en lokale.

Wereldwijd behoud

Een globale behoudswet zegt alleen dat de totale hoeveelheid van iets in het heelal niet verandert in de tijd.

Plaatselijk behoud

Een lokale behoudswet zegt iets meer dan dat. Het zegt dat als de hoeveelheid van iets op een bepaalde plaats is veranderd, dat komt omdat het zich naar of van die plaats heeft verplaatst, en we kunnen die verplaatsing meten.