Теорема Нётер

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Перейти к: навигация, поиск

Теоре́ма Эмми Нётер утверждает, что каждой симметрии физической системы соответствует некоторый закон сохранения. Так, закон сохранения энергии соответствует однородности времени, закон сохранения импульса — однородности пространства, закон сохранения момента импульса — изотропии пространства, закон сохранения электрического заряда — калибровочной симметрии и т. д.

Теорема обычно формулируется для систем, обладающих функционалом действия, и выражает собой инвариантность лагранжиана по отношению к некоторой непрерывной группе преобразований.

Теорема установлена в работах учёных гёттингенской школы Д. Гильберта, Ф. Клейна и Э. Нётер. В наиболее распространенной формулировке была доказана Эмми Нётер в 1918 году.

Содержание

[править] Формулировка

[править] Классическая механика

Каждой однопараметрической группе диффеоморфизмов gs(qi), сохраняющих функцию Лагранжа, соответствует первый интеграл системы, равный

I=\sum^n_{i=1}\left( \frac{d}{ds} g^s(q_i) \right) \frac{\partial L}{\partial \dot q_i}

В терминах инфинитезимальных преобразований, пусть инфинитезимальное преобразование координат имеет вид

g^s(\vec q) = \vec q_0 + s \vec \psi (\vec q,\; t)

и функция Лагранжа L(q,\; \dot q,\; t) инвариантна относительно этих преобразований, то есть

\frac{d}{ds}L(\vec q_0 + s \vec \psi (\vec q,\; t),\; \dot \vec q_0 + s \dot \vec \psi (\vec q,\; t),\; t) = 0

Тогда у системы существует первый интеграл, равный

I = \left( \vec \psi (\vec q,\; t);\; \frac{\partial L}{\partial \dot \vec q} \right) = \sum^n_{i=1}\psi_i (\vec q,\; t) \frac{\partial L}{\partial \dot q_i}.

Теорему можно обобщить на случай преобразований, затрагивающих также и время, если представить её движение как зависящее от некоторого параметра τ, причем в процессе движения t = τ. Тогда из преобразований

g^s(\vec q) = \vec q_0 + s \vec \psi (\vec q,\; t)
g^s(t) = t_0 + s \xi (\vec q,\; t)

следует первый интеграл

I = \xi L - \left( \vec \psi - \xi \dot \vec q;\; \frac{\partial L}{\partial \dot \vec q} \right)

[править] Теория поля

Теорема Нётер допускает прямое обобщение на случаи систем с бесконечным числом степеней свободы, примером которых являются гравитационное и электромагнитное поле. А именно, пусть функция Лагранжа системы зависит от n потенциалов, зависящих, в свою очередь, от k координат. Функционал действия будет иметь вид

S = \int L(A^i,\; \partial_j A^i,\; x^\mu)\, d \Omega,\quad i=1, \ldots,\; n,\quad \mu=1,\; \ldots,\; k,\quad d\Omega = dx^1\ldots dx^k.

Пусть однопараметрическая группа gs диффеоморфизмов пространства потенциалов сохраняет функцию Лагранжа, тогда сохраняется вектор

J^\mu = \left( \frac{d}{ds} g^s A^i \right) \frac{\partial L}{\partial (\partial_\mu A^i)},

называемый вектором потока Нётер. По повторяющимся индексам подразумевается суммирование, \partial_\mu = \frac{\partial}{\partial x^\mu}. Смысл сохранения вектора потока Нётер в том, что

\ \partial_\mu J^\mu = 0,

поэтому поток J через любую замкнутую поверхность в пространстве координат равен 0. В частности, если выделить среди координат одну, называемую временем, и рассмотреть гиперплоскости постоянного времени, то поток J через такую гиперплоскость постоянен во времени, при условии достаточно быстрого спадения поля на бесконечности и некомпактности гиперповерхности, чтобы поток вектора через боковую границу области пространства между двумя гиперповерхностями был равен 0. В классической теории поля таким свойством обладает, например, тензор энергии-импульса для электромагнитного поля. В вакууме лагранжиан поля не зависит явно от координат, поэтому имеется сохраняющаяся величина, ассоциируемая с потоком энергии-импульса.

[править] Законы сохранения

В классической механике законы сохранения энергии, импульса и момента импульса выводятся из однородности/изотропности лагранжиана системы — лагранжиан (функция Лагранжа) не меняется со временем сам по себе и не изменяется переносом или поворотом системы в пространстве. По сути это означает то, что при рассмотрении некой замкнутой в лаборатории системы будут получены одни и те же результаты — вне зависимости от расположения лаборатории и времени проведения эксперимента. Другие симметрии лагранжиана системы, если они есть, соответствуют другим сохраняющимся в данной системе величинам (интегралам движения); например, симметрия лагранжиана гравитационной и кулоновской задачи двух тел приводит к сохранению не только энергии, импульса и момента импульса, но и вектора Лапласа — Рунге — Ленца.

[править] Приложения

Теорема Нётер позволяет получать значительную информацию о свойствах решений системы дифференциальных уравнений, основываясь лишь на их симметрии. Она также является одним из методов интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений, так как позволяет в некоторых случаях находить первые интегралы системы уравнений и таким образом понижать число неизвестных функций. Например:

  • Сохранение импульса системы следует из её инвариантности относительно пространственных сдвигов. Конкретнее, если сдвиг вдоль оси X не меняет систему уравнений, то сохраняется импульс px вдоль этой оси.
  • Сохранение момента импульса следует из инвариантности системы относительно вращений пространства.
  • Закон сохранения энергии — это следствие однородности времени, позволяющей произвольным образом сдвигать начало его отсчёта.

В случае уравнений в частных производных необходимо, вообще говоря, искать бесконечное число первых интегралов. Даже зная их, обычно нелегко выписать общее решение.

В силу своей фундаментальности, теорема Нётер используется в таких областях физики, как квантовая механика, для самого введения понятий импульса, момента импульса и т. д. Инвариантность уравнений относительно некоторых симметрий становится единственной сутью этих величин и гарантирует их сохранение.

В квантовой теории поля аналогом теоремы Нётер являются тождества Уорда — Такахаши (англ.), позволяющие получить дополнительные законы сохранения. Например, сохранения электрического заряда следует из инвариантности физической системы относительно изменения фазы комплексной волновой функции частицы и соответствующей калибровки векторного и скалярного потенциала электромагнитного поля.

Заряд Нётер также используется для вычисления энтропии стационарной чёрной дыры[1].


[править] Примечания

  1. ↑ Calculating the entropy of stationary black holes. (англ.)

[править] Внешние ссылки

[править] Литература

  • Арнольд В. И. Математические методы классической механики, изд. 5-ое, — М.: Едиториал УРСС, 2003, ISBN 5-354-00341-5
  • Ибрагимов Н. Х. Группы преобразований в математической физике. — М.: Наука, 280 с., 1983 г.


Физика Это незавершённая статья по физике. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.
Формула Это незавершённая статья по математике. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.
Источник — «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B0_%D0%9D%D1%91%D1%82%D0%B5%D1%80»