不变变分问题
物理学中每一条守恒律的背后,都站着一个对称——反之亦然。
能量为何永远无法被创造、也无法被消灭,背后藏着一个理由——而找到它的人,是埃米·诺特。
核心想法
物理学家早就知道一份简短的「守恒律」清单:在一个封闭系统里,能量、动量、角动量的总量永不改变。诺特证明,这并不是三桩各自孤立的巧合。它们每一个,都是某个对称的后果——所谓对称,就是当你挪动某样东西时,自然法则依然分毫不变的那种「不变」。
正因为物理定律不在乎现在是几点,能量才守恒。正因为它们不在乎你身在何处,动量才守恒。正因为它们不在乎你面朝哪个方向,角动量才守恒。对称进去,守恒律出来——而她还证明了:反过来也成立。
它是如何诞生的
1915 年,两位在世的顶尖数学家——大卫·希尔伯特与费利克斯·克莱因——把诺特请到了哥廷根。他们正与爱因斯坦那套全新的引力理论搏斗,在那理论里,能量似乎会令人不安地「失常」——他们需要她对「不变量」无与伦比的掌握来理清头绪。诺特做的远不止理清头绪:她找到了潜伏在底下的那条普遍法则。
而她做成这一切时,连一个学者最寻常的权利都被剥夺着。身为女性,她无法担任带薪教授,一直以希尔伯特本人的名义讲课。当同僚反对给她一个职位时,据说希尔伯特顶了回去——大学评议会「又不是澡堂」。她直到 1919 年才正式获得任教的资格——正是这篇论文问世的次年。
它为何重要
在诺特之前,守恒律是靠实验发现的、被珍视的事实。在她之后,它们成了预言:说出自然的一个对称,她就能准确告诉你,什么必然守恒。这把物理学整个翻了过来——对称,成了构建新理论的首要工具,而粒子物理的标准模型,后来正是这样被建起来的。
一个可以想象的画面
想象一只完美的圆盘子。在桌上转动它,它看上去一模一样——这份「一样」,就是旋转对称。现在在它边缘压出一个凹痕:再转一下,你就看得出它动过了。圆盘子在旋转下「守住」了自己的模样;带凹痕的那只,则守不住。诺特定理说,自然也是这样运作的:凡是法则在某种改变之后看上去毫无二致,就总有某样东西保持精确不变——而你一旦在对称上压出凹痕,那样东西便开始漂移。
它的位置
诺特站在现代物理的枢纽上。组织起麦克斯韦电磁学、爱因斯坦相对论、以及希格斯场的那些对称——它们都在本馆的别处——正是通过她的定理,化作了守恒律。一个世纪之后,「是什么对称在守护这个量?」已是物理学家面对任何新想法时,最先发问的问题之一。
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.