不變變分問題
物理學中每一條守恆律的背後,都站著一個對稱——反之亦然。
能量為何永遠無法被創造、也無法被消滅,背後藏著一個理由——而找到它的人,是埃米·諾特。
核心想法
物理學家早就知道一份簡短的「守恆律」清單:在一個封閉系統裡,能量、動量、角動量的總量永不改變。諾特證明,這並不是三樁各自孤立的巧合。它們每一個,都是某個對稱的後果——所謂對稱,就是當你挪動某樣東西時,自然法則依然分毫不變的那種「不變」。
正因為物理定律不在乎現在是幾點,能量才守恆。正因為它們不在乎你身在何處,動量才守恆。正因為它們不在乎你面朝哪個方向,角動量才守恆。對稱進去,守恆律出來——而她還證明了:反過來也成立。
它是如何誕生的
1915 年,兩位在世的頂尖數學家——大衛·希爾伯特與費利克斯·克萊因——把諾特請到了哥廷根。他們正與愛因斯坦那套全新的引力理論搏鬥,在那理論裡,能量似乎會令人不安地「失常」——他們需要她對「不變量」無與倫比的掌握來理清頭緒。諾特做的遠不止理清頭緒:她找到了潛伏在底下的那條普遍法則。
而她做成這一切時,連一個學者最尋常的權利都被剝奪著。身為女性,她無法擔任帶薪教授,一直以希爾伯特本人的名義講課。當同僚反對給她一個職位時,據說希爾伯特頂了回去——大學評議會「又不是澡堂」。她直到 1919 年才正式獲得任教的資格——正是這篇論文問世的次年。
它為何重要
在諾特之前,守恆律是靠實驗發現的、被珍視的事實。在她之後,它們成了預言:說出自然的一個對稱,她就能準確告訴你,什麼必然守恆。這把物理學整個翻了過來——對稱,成了構建新理論的首要工具,而粒子物理的標準模型,後來正是這樣被建起來的。
一個可以想像的畫面
想像一隻完美的圓盤子。在桌上轉動它,它看上去一模一樣——這份「一樣」,就是旋轉對稱。現在在它邊緣壓出一個凹痕:再轉一下,你就看得出它動過了。圓盤子在旋轉下「守住」了自己的模樣;帶凹痕的那隻,則守不住。諾特定理說,自然也是這樣運作的:凡是法則在某種改變之後看上去毫無二致,就總有某樣東西保持精確不變——而你一旦在對稱上壓出凹痕,那樣東西便開始漂移。
它的位置
諾特站在現代物理的樞紐上。組織起馬克士威電磁學、愛因斯坦相對論、以及希格斯場的那些對稱——它們都在本館的別處——正是通過她的定理,化作了守恆律。一個世紀之後,「是什麼對稱在守護這個量?」已是物理學家面對任何新想法時,最先發問的問題之一。
If the integral I is invariant with respect to a G_ρ, then ρ linearly independent combinations of the Lagrange expressions become divergences — and from this, conversely, invariance of I with respect to a G_ρ will follow. The theorem holds good even in the limiting case of infinitely many parameters.
If the integral I is invariant with respect to a G_∞ρ in which the arbitrary functions occur up to the σ-th derivative, then there subsist ρ identity relationships between the Lagrange expressions and their derivatives up to the σ-th order. Here also the converse holds.