5 Erhaltungssätze

Du machst ein Puzzle. Nachdem du fertig bist, sieht es aus wie in Bild 5.1.

Fehlt hier etwas?

Bild 5.1: Fehlt hier etwas?

Statt dich über das fertige Puzzle zu freuen, wirst du vermutlich in der Schachtel oder am Boden nach einem weiteren Puzzle-Stein suchen. Warum? Leute, die schon sehr viele Puzzles gemacht haben, wissen aus Erfahrung: „Die Umrandung eines Puzzles ist immer glatt.“ In der Physik werden solche Sätze „Erfahrungssätze“ genannt. Zu den wichtigsten Erfahrungssätzen in der Physik gehören die sogenannten Erhaltungssätze (engl. conservation law). Bei allen Erhaltungssätzen geht es um Größen, die sich bei physikalischen Prozessen nicht ändert.

Erhaltungssätze können zwar nicht mathematisch exakt bewiesen werden, doch haben sie über die Jahrhunderte ihre Gültigkeit behalten, obwohl sehr viele Physikerinnen und Physiker bereits versucht haben, sie zu widerlegen. Dabei wurden die Erhaltungssätze höchstens erweitert oder zusammengefasst.

Verbrennendes Holz wird leichter

Bild 5.2: Verbrennendes Holz wird leichter

Einer der ersten Erhaltungssätze, die entdeckt wurden, war das Gesetz der Massenerhaltung von Antoine Lavoisier gegen Ende des 18. Jahrhunderts. Wenn ein Stück Holz verbrennt, verliert es den größten Teil seiner Masse. Dieser Verlust ist ganz offensichtlich, wenn sich \(1\;\mathrm{kg}\) Holz bei der Verbrennung auf einer Balkenwaage befindet. Während der Verbrennung, hebt sich die Waagschale, was auf eine Abnahme der Masse hinweist (Bild 5.2). Wird das Experiment allerdings in einem geschlossenen Behälter durchgeführt, zeigt sich, dass sich die Masse des Behälters samt Inhalt (Holz, Asche und Rauch) nicht ändert. Die Masse des geschlossenen Systems bleibt also gleich (Durch die Entdeckung der Äquivalenz von Masse und Energie (16.6.8) Anfang des 20. Jahrhunderts wurde der Erhaltungssatz erweitert).

Im Laufe der Zeit sind weitere Erhaltungssätze entdeckt worden. In diesem Buchteil lernst du zunächst zwei wichtige Erhaltungssätze der Mechanik kennen: den Energie- und den Impulserhaltungssatz und die damit verbundenen Begriffe. In späteren Buchteilen wird der Energieerhaltungssatz um weitere Energieformen erweitert und du lernst weitere Erhaltungssätze, wie den Drehimpulserhaltungssatz (7.7.2), den Ladungserhaltungssatz (12.1.5) oder Erhaltungssätze der Teilchenphysik (17.9.11), kennen.

Das Wissen um diese Erhaltungssätze ist in der Physik enorm wichtig. Sie zeigen uns nämlich einerseits die Grenze zwischen möglichen und unmöglichen Prozessen in der Natur. Auf der anderen Seite hilft uns die Anwendung von Erhaltungssätzen oft zu richtigen Ergebnissen zu kommen, obwohl viele Details der berechneten Systeme außer acht gelassen werden.