En bevarandelag är ett grundläggande uttalande inom fysiken som säger att mängden av en viss storhet i ett isolerat system inte förändras med tiden. Det kan röra enkla storheter som massa eller laddning, eller mer abstrakta kvantiteter som energi eller vridmoment. Bevarandelagar används för att räkna ut vad som händer i fysikaliska processer och för att kontrollera att modeller och mätningar stämmer överens.

Till exempel säger "massans bevarandelag" i klassisk mening att mängden massa i ett slutet system är konstant — även om massan byter form eller fördelning. Detta innebär att om universums massa kunde mätas exakt vid ett givet ögonblick, skulle dess totala mängd vara densamma i morgon, förutsatt att man avser massa i den klassiska betydelsen och inte bortser från mass–energiekvivalensen i relativitetsteorin. I modern fysik ersätts ofta strikt massbevarelse av den mer allmänna bevarandet av massa plus energi (E = mc²).

Vanliga typer av bevarandelagar

  • Energi — total energi (inklusive rörelse-, potential-, värme- och vilomassa/energibidrag) är bevarad i ett slutet system. Tidstranslationssymmetri enligt Noethers sats ger upphov till energibevarande.
  • Rörelsemängd (linjär impuls) — är bevarad när inga yttre krafter verkar; detta förklarar t.ex. att två krockande kroppar påverkar varandra men systemets totala rörelsemängd förblir densamma.
  • Vinkelrörelsemängd (vridmoment) — bevaras när inga yttre vridmoment verkar; exempel: en skridskoåkare som drar in armarna snurrar snabbare för att vinkelrörelsemängden ska bevaras.
  • Elektrisk laddning — en av de mest exakta bevarandelagarna; laddning skapas eller förstörs inte i vanliga processer utan flyttas eller omfördelas.
  • Baryon- och lepton-tal — i många processer bevaras antalet baryoner och leptoner, men dessa kan vara approximativa eller brytas i vissa högenergetiska eller teoretiska processer.

Lokalt kontra globalt bevarande

En viktig skillnad är mellan global bevarande (att totalsumman i ett helt system är konstant) och lokalt bevarande (att förändringen i densiteten i en punkt kompenseras av flöde ut eller in genom omgivningen). Lokalt bevarande uttrycks matematiskt med kontinuitetsekvationen

∂ρ/∂t + ∇·j = 0,

där ρ är densiteten av den bevarade kvantiteten och j är strömtätheten (flödet). Denna lokala form visar att en ökning av mängd i en region måste komma från flöde inifrån omgivningen.

Exempel i vardag och experiment

  • Vid en kollision mellan två bilar bevaras (i ett isolerat system) den totala rörelsemängden — detta används för att analysera kollisioner och skadeförlopp.
  • I kemiska reaktioner bevaras elektrisk laddning och, i icke-relativistisk approximation, massa (antal atomer är oförändrat); vid kärnreaktioner kan massa omvandlas till energi enligt relativitetsteorin.
  • En raket drivs framåt eftersom utströmmande gas ger raketen en motsatt förändring i rörelsemängd — raketens framdrivning följer direkt av rörelsemängdens bevarande.

Varför bevarandelagar är viktiga

Bevarandelagar gör det möjligt att förutsäga resultat utan att känna till alla detaljer: om vissa kvantiteter är bevarade kan man ställa upp jämviktsekvationer som begränsar möjliga slutliga tillstånd. De spelar också en central roll i teoribildning: symmetrier i fysikens lagar leder, via Noethers sats, till bevarandelagar. Att en förväntad bevarandelag bryts i ett experiment kan vara ett tecken på ny fysik eller på att systemet inte är isolerat.

Begränsningar och modern nyansering

Historiskt betraktades t.ex. massa som strikt bevarad, men i relativistisk och kärnfysik visar det sig att massa kan omvandlas till energi. Vissa kvantantal (som vissa familje-specifika leptontal) kan också vara endast approximativt bevarade eller brytas i speciella processer. Därför är det viktigt att ange vilken definition av en storhet man avser och i vilket teoretiskt sammanhang bevarandet gäller.