Principi di conservazione

Principi di conservazione Leggi della fisica secondo le quali, nel corso di determinate trasformazioni, alcune grandezze che caratterizzano un sistema fisico rimangono invariate. I principi di conservazione ebbero sempre un ruolo estremamente importante nella ricerca scientifica: basti pensare che moltissime scoperte furono suggerite dall’osservazione dell’apparente violazione di uno di essi.

Nel XVIII secolo il chimico francese Antoine Lavoisier scoprì che in una reazione chimica la massa complessiva degli elementi che partecipano alla trasformazione rimane costante. Questa osservazione esprime il principio di conservazione della massa, ovvero che la quantità di materia totale di un sistema chiuso rimane costante.

All’inizio del XIX secolo gli scienziati compresero che esistono diverse forme di energia, ad esempio l’energia cinetica, potenziale, termica, che possono essere trasformate una nell’altra. Questa intuizione condusse gli scienziati tedeschi Hermann von Helmholtz e Julius Robert von Mayer e il fisico britannico James Prescott Joule a formulare il principio di conservazione dell’energia: la legge, nella sua forma più generale, afferma che la somma di energia cinetica, energia potenziale ed energia termica di un sistema isolato rimane costante. Questa legge è oggi nota come “primo principio della termodinamica”. Questo principio si può anche enunciare affermando che la quantità di calore assorbita (o ceduta) da un sistema termodinamico è uguale al lavoro che esso compie sull’esterno (o compiuto su di esso dall’esterno).

I principi di conservazione dell’energia, della quantità di moto e del momento angolare permettono di determinare l’evoluzione di qualsiasi sistema fisico che rispetti le leggi della meccanica classica. Nell’ambito dell’elettricità, invece, è valido il principio di conservazione della carica elettrica.

Nel 1905, con la teoria della relatività speciale, Albert Einstein dimostrò l’equivalenza di massa ed energia: ciò naturalmente rese necessaria una modifica dei due principi di conservazione separati, per arrivare alla formulazione di un’unica legge di validità generale, comprensiva di entrambi. Esistono comunque alcuni campi in cui sono ancora validi separatamente l’uno o l’altro dei due principi “classici”: ad esempio, nelle reazioni chimiche dove non sono misurabili le variazioni di massa equivalenti all’energia prodotta o assorbita, vale solo la legge di conservazione della massa, mentre nelle reazioni nucleari, durante le quali l’energia può trasformarsi in massa, bisogna ritenere valido il principio di conservazione di entrambe le grandezze.

L’esistenza di leggi di conservazione è la manifestazione della presenza, in natura, di fondamentali simmetrie. Ciò vale anche a livello delle particelle elementari: ad esempio, la conservazione della carica elettrica nelle interazioni tra particelle è la manifestazione della simmetria di gauge del campo elettrodebole.