Теоре́ма Эмми Нётер утверждает, что каждой непрерывной 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.

Формулировка

Классическая механика

Каждой однопараметрической группе диффеоморфизмов , сохраняющих функцию Лагранжа, соответствует первый интеграл системы, равный

В терминах инфинитезимальных преобразований, пусть инфинитезимальное преобразование координат имеет вид

и функция Лагранжа инвариантна относительно этих преобразований, то есть

Тогда у системы существует первый интеграл, равный

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

следует первый интеграл

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 потенциалов, зависящих, в свою очередь, от координат. Функционал действия будет иметь вид

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

называемый вектором потока Нётер. По повторяющимся индексам подразумевается суммирование, . Смысл сохранения вектора потока Нётер в том, что

поэтому поток 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 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.

Дифференциальные уравнения

Пусть имеется вариационная задача с функционалом действия . Здесь — лагранжиан, — независимые переменные, — зависимые переменные, то есть функции от . может зависеть также и от производных по , не обязательно только первого порядка.

Вариационная задача для такого функционала приводит к дифференциальным уравнениям Эйлера-Лагранжа, которые можно записать в виде

,

где — операторы Эйлера-Лагранжа:

,

— производная функции по переменной . Многоточие означает, что если зависит от производных порядка выше первого, то нужно добавить соответствующие слагаемые в . В компактной записи , где — мультииндекс. Суммирование ведётся по всем слагаемым таким, что производная входит в .

Теорема Нётер связывает так называемые вариационные симметрии функционала с законами сохранения, выполняющимися на решениях уравнений Эйлера-Лагранжа.

Законы сохранения

Закон сохранения — это выражение вида

которое справедливо на решениях некоторой системы дифференциальных уравнений (в данном случае это уравнения Эйлера-Лагранжа). Здесь — полная дивергенция (дивергенция с полными производными) по . Если дифференциальные уравнения подставить в это выражение, получится тождество. — гладкие функции , и производных по .

Тривиальными законами сохранения называются законы сохранения

• для которых само по себе является тождеством без учёта каких-либо дифференциальных уравнений;
• или для которых обращается в 0 сразу при подстановке дифференциальных уравнений, без вычисления дивергенции (сохраняется тождественный ноль на решениях);
• или для которых есть линейная комбинация предыдущих типов.

Если для двух законов сохранения с функциями и разность даёт тривиальный закон сохранения, такие два закона сохранения называются эквивалентными.

Всякий закон сохранения эквивалентен закону сохранения в характеристической форме — то есть такому, для которого

,

где — выражения, которые входят в определение системы дифференциальных уравнений: . Для описываемого случая и

.

зависят от , и производных по и называются характеристиками закона сохранения.

Вариационные симметрии

Пусть имеется обобщённое векторное поле

.

«Обобщённое» понимается в том смысле, что и могут зависеть не только от и , но и от производных по .

Определение: называется вариационной симметрией функционала , если существует набор функций такой, что

.

— продолжение . Продолжение учитывает, что действие на и вызывает также инфинетизимальное изменение производных, и задаётся формулами

.

В формуле для продолжения необходимо брать, кроме , слагаемые с такими , для которых входят в или, в общем случае, в то выражение, на которое продолжение действует.

Смысл определения вариационной симметрии состоит в том, что — это инфенитизимальные преобразования, которые в первом порядке меняют функционал таким образом, что уравнения Эйлера-Лагранжа преобразуются в эквивалентные. Справедлива

теорема: если является вариационной симметрией, то является (обобщённой) симметрией уравнений Эйлера-Лагранжа:

.

Эта формула означает, что инфинетезимальные изменения выражений , записанные здесь в виде , обращаются в 0 на решениях.

Характеристики векторных полей

Набор функций (в обозначениях, данных выше) называется характеристикой векторного поля . Вместо можно брать векторное поле

,

которое называется эволюционным представителем .

и определяют по сути одну и ту же симметрию, поэтому, если известны характеристики , можно считать, что тем самым задана и симметрия. Продолжение определяется аналогично продолжению , но формально проще, поскольку не нужно отдельно учитывать вклад от .

Теорема Нётер устанавливает связь между характеристиками законов сохранения и характеристиками векторных полей.

Теорема Нётер

Обобщённое векторное поле определяет группу симметрий функционала в том и только в том случае, если его характеристика является характеристикой закона сохранения для соответствующих уравнений Эйлера-Лагранжа.

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.

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 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 отсчёта времени.

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 — Такахаси (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].

Примечания