守恒定律和对称性
自现代物理学早期以来，就一直存在守恒定律，该定律指出某些物理量，例如孤立的物体系统的总电荷，不会随着时间的推移而改变。在20世纪，数学上已经证明，这些定律遵循自然的对称性质，如物理定律所表达的那样。例如，孤立系统的质能守恒源于这样的假设：物理定律可能取决于时间间隔，但不取决于应用定律的特定时间。现代物理学家认为对称性和由此产生的守恒定律比定律本身更基本，因为它们能够限制未来可能提出的定律形式。
守恒定律在经典、相对论和量子理论中对质能、动量、角动量和电荷是有效的。(在非相对论物理学中，质量和能量是分开守恒的。动量，即等于物体质量乘以其速度或等于两个或多个物体的总质量乘以其质心速度的定向量，当且仅当没有外力作用时，才守恒。类似地，与旋转运动有关的角动量在一个没有净转弯力(称为扭矩)作用的系统中是守恒的。外力和扭矩打破了各自守恒定律所遵循的对称条件。
在量子理论中，特别是在基本粒子理论中，还有其他对称性和守恒定律，有些精确，有些只是近似有效，在经典物理学中没有重要作用。其中包括与空间的左右反射对称性(称为奇偶性)和运动的反转对称性(称为时间反转)相关的所谓量子数守恒。这些量子数在除弱力以外的所有过程中都是守恒的。
其他与空间和时间没有明显关系的对称性(称为内部对称性)表征了基本粒子的不同族，并延伸为它们的复合材料。例如，夸克具有称为重子数的性质，质子、中子、原子核和不稳定夸克复合材料也是如此。除了夸克之外，所有这些都被称为重子。重子数守恒的失败会表现出来，例如，质子衰变成较轻的非重子粒子。事实上，已经对这种质子衰变进行了密集的搜索，但到目前为止还没有结果。类似的对称性和守恒定律适用于类似定义的轻子数，它们似乎也像重子守恒定律一样，绝对成立。
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