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诺特定理诺特定理

诺特定理,是奇异积分方程的基本定理,为理论物理的中心结果之一,它表达了连续对称性和守恒定律的一一对应。诺特定理对于所有基于作用量原理的物理定律是成立。它得名于20世纪初的数学家埃米·诺特。诺特定理和量子力学深刻相关,因为它仅用经典力学的原理就可以认出和海森堡测不准原理相关的物理量(譬如位置和动量)。数学中,诺特定理是奇异积分方程的基本定理。它并不限于柯西型核的奇异积分方程。

简介

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诺特定理把对称性跟守恒量联系起来了,非常有用。是指对于力学体系的每一个连续的对称变换,都有一个守恒量与之对应。对称变换是力学体系在某种变换下不变。

诺特定理是理论物理的中心结果之一,它表达了连续对称性和守恒定律的一一对应。例如,物理定律不随着时间而改变,这表示它们有关于时间的某种对称性。如果我们想象一下,譬如重力的强度每天都有所改变,我们就会违反能量守恒定律,因为我们可以在重力弱的那天把重物举起,然后在重力强的时候放下来,这样就得到了比我们开始输入的能量更多的能量。

诺特定理对于所有基于作用量原理的物理定律是成立。它得名于20世纪初的数学家埃米·诺特。诺特定理和量子力学深刻相关,因为它仅用经典力学的原理就可以认出和海森堡测不准原理相关的物理量(譬如位置和动量)。

定理的数学表述

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诺特定理是奇异积分方程的基本定理。它并不限于柯西型核的奇异积分方程。

定理1: 奇异积分方程Kφ=f可解的充分必要条件是成立关系式:

其中ψi

诺特定理图册

诺特定理图册

公式公式

但这无非就是对于如下的流的连续性方程

这被称为和该对称性相关的诺特流(Noether current)。该连续性方程说明如果对这个流在空间式切片上积分,就可以得到称为诺特荷的守恒量(当然,必须假定M非紧致时,该流趋向无穷远处时下降足够快)。

相关再叙述

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常见的例子有动量、能量、角动量守恒跟相应的时空均匀性的关系:

空间均匀性与动量守恒:空间是均匀的,也就是地球上的物理定律跟月球上的物理定律是一样的,物理定律在空间平移(比如从地球移到月亮上)变换下是不变的,由诺特定理可以得到存在这么一个守恒量,即动量。

空间各向同性与角动量守恒 :空间是各向同性的,也就是空间没有一个特殊的方向,我们任意取坐标轴的方向,虽然物理量的数值在各个坐标系当中可能是不一样的,但物理定律所对应的方程是不变的,比如牛顿运动定律F=ma(矢量形式)在空间旋转变换下是不变的,我们把坐标轴旋转,虽然矢量的各个分量变了,但总的方程F=ma(矢量形式)是不变的,这样,在牛顿力学当中,就存在着一个跟空间各向同性相对应的守恒量——角动量。

时间均匀性跟能量守恒:同样,由时间均匀性,也就是过去、现在、未来物理定律是一样的,由诺特定理可以得出存在这么一个守恒量——能量。

一般诺特定理的证明都是在拉格朗日形式下来证明的,也就是假定我们所发现的力学体系的拉格朗日描述是正确的。

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