Noetherin (ensimmäinen) teoreema sanoo, että jokaiseen fysikaalisen systeemin aktion differentioituvaan symmetriaan liittyy jokin sitä vastaava säilymislaki. Teoreeman todisti saksalainen matemaatikko Emmy Noether vuonna 1915, ja se julkaistiin vuonna 1918. Fysikaalisen systeemin aktio on jonkin sellaisen Langrangen funktion aikaintegraali, jonka avulla systeemin käyttäytyminen voidaan määrittää vähimmän vaikutuksen periaatteen avulla. Tällainen Lagrangen funktio itsessään voi olla jonkin Lagrangen tiheysfunktion integraali jonkin avaruuden alueen yli.
Noetherin teoreemasta on tullut perustava työväline nykyisessä teoreettisessa fysiikassa ja variaatiolaskennassa. Se on Lagrangen mekaniikan (vuodelta 1788) ja Hamiltonin mekaniikan (vuodelta 1833) liikevakioiden muotoilun yleistys, eikä se päde systeemeille, joita ei voida mallintaa pelkästään Lagrangen funktiolla, toisin sanoen systeemeillä, joihin liittyy Rayleighin dissipaatiofunktio. Erityisesti häviöllisiin systeemeihin, joilla on jatkuvia symmetrioita, ei välttämättä liity vastaavaa säilymislakia.
Esimerkkejä ja tausta
Noetherin teoreeman merkityksen selventämiseksi voidaan esimerkkinä mainita, että jos fysikaalinen systeemi käyttäytyy samalla tavalla riippumatta siitä, miten päin se on suunnattu avaruudessa, sen Lagrangen funktio on rotaatiosymmetrinen. Tästä symmetriasta seuraa Noetherin teoreeman mukaan, että systeemin liikelait ovat sellaiset, että liikemäärämomentti säilyy. Fysikaalisen systeemin itsessään ei tarvitse olla symmetrinen: epäsäännöllisenkin muotoisen asteroidin liikemäärämomentti säilyy sen liikkuessa avaruudessa, vaikka se kappaleena ei ole symmetrinen — symmetrisiä ovat sen liikelait, ei itse kappale.
Toisena esimerkkinä voidaan mainita, että jos fysikaalisen prosessin tulokset ovat samat riippumatta sen paikasta ja ajasta, tapahtuipa se esimerkiksi Aasiassa tiistaina tai Amerikassa perjantaina, sen Lagrangen funktio on symmetrinen avaruudessa ja ajassa tapahtuvien siirtojen eli translaatioiden suhteen. Noetherin teoreeman mukaan näistä symmetrioista seuraavat vastaavasti liikemäärän säilymislaki ja energian säilymislaki.
Noetherin teoreema on merkittävä sekä sen näkemyksen vuoksi, jonka se antaa säilymislakeihin, että myös käytännöllisenä laskuvälineenä. Se tekee tutkijoille mahdolliseksi määrittää fysikaaliseen systeemiin liittyvät säilyvät suureet (invariantit) sen havaituista symmetrioista. Toisaalta se tekee myös mahdolliseksi käsitellä kokonaisia hypoteettisten Lagrangen funktioiden luokkaa annettujen invarianttien avulla fysikaalisen systeemin kuvaamiseksi. Kuvitellaan esimerkiksi, että löydettäisiin uusi kenttä, jossa jokin suure X säilyy. Noetherin teoreeman avulla voidaan määrittää, minkä tyyppisissä Lagrangen funktioissa X säilyy jatkuvassa symmetrisessä muunnoksessa, minkä niiden soveltuvuus voidaan arvioida muiden kriteerien perusteella.
Noetherin teoreemasta on olemassa monia versoita, joiden yleisyyden aste vaihtelee. Alkuperäinen versio koski vain tavallisia differentiaaliyhtälöitä (hiukkasia), ei osittaisdifferentiaaliyhtälöitä (kenttiä). Alkuperäisissä versioissa oletetaan myös, että Lagrangen funktio riippuu vain ensimmäisestä derivaatasta, kun taas myöhemmissä versioissa teoreema on yleistetty sellaisiinkin Lagrangen funktioihin, jotka riippuvat n:nnestä derivaatasta. Teoreemalle on olemassa luonnollisia kvanttiteoreettisia vastineita, jotka ilmaisee Ward-Takahashin identiteetti. On olemassa myös Noetherin teoreeman yleistyksiä superavaruuteen.
Teoreeman epämuodollinen ilmaisu
Jättäen tekniset hienoudet sivuun Noetherin teoreema voidaan ilmaista epämuodollisesti.
Teoreeman täsmällisempi, kenttiin perustuva versio kuuluu:
Tässä sana "symmetria" viittaa täsmällisemmin sanottuna sen muodon kovarianssiin, jonka fysikaalinen laki saa tietyt tekniset kriteerit täyttävien muunnosten muodostamassa yksiulotteisessa Lien ryhmässä. Fysikaalisten suureiden säilymislait ilmaistaan tavallisesti jatkuvina yhtälöinä.
Teoreeman muodollisessa todistuksessa invarianssiehtoja käytetään lausekkeen muodostamiseksi virtaukselle, joka liittyy säilyvään fysikaaliseen suureeseen. Viime aikoina, suunnilleen vuodesta 1980 lähtien Termi "Noetherin varaus" esiintyy Seligmanin teoksessa Group theory and its applications in physics, 1980: Latin American School of Physics, Mexico City, American Institute of Physics, 1981. Se tuli yleisempään käyttöön 1980-luvulla, esimerkiksi G. Takedan arikkelissa Errol Gotsmanin ja Gerald Tauberin toimittamassa teoksessa From SU(3) to Gravity: Festschrift in Honor of Yuval Ne'eman, 1985, s. 196. on tullut tavaksi nimittää säilyvää suuretta "Noetherin varaukseksi" ja sitä kuljettavaa virtausta "Noetherin virraksi". Noetherin virta määritellään solenoidiseksi vektorikentäksi, jonka divergenssi on 0.
Gravitaation tapauksessa Felix Klein on ilmaissut Noetherin teoreeman aktiolle I invarianttien avulla seuraavasti: Nina Byers (1998) "E. Noether's Discovery of the Deep Connection Between Symmetries and Conservation Laws." Bar-Ilanin yliopistossa Israelissa 2.–4.12.1996 Emmi Noetherin muistoksi järjestetyssä symposiumissa pidetty esitelmä, liite B
Historiallinen tausta
Fysikaaliset säilymislait sanovat, että systeemin kehityksen matemaattisessa kuvauksessa jokin suure X pysyy vakiona ajan kuluessa eli se on invariantti. Matemaattisesti X:n muutosnopeus eli sen derivaatta ajan suhteen on nolla:
Sellaisten suureiden sanotaan säilyvän. Niitä sanotaan usein liikevakioiksi, vaikka ne eivät välttämättä liity liikkeeseen vaan voivat muullakin tavoin kuvata systeemin kehitystä ajan kuluessa. Esimerkiksi jos jonkin systeemin energia säilyy, sen energia on koko ajan yhtä suuri, mikä asettaa rajoituksia systeemin liikkeelle, ja tätä voidaan käyttää hyväksi systeemin kehitystä ennustettaessa. Sen lisäksi, millaisen näkemyksen tällaiset liikevakiot antavat systeemin luonteesta, ne ovat hyödyllisiä laskennallisia apuvälineitä; esimerkiksi likimääräinen ratkaisu voidaan korjata löytämällä lähin tila, joka toteuttaa asiaan kuuluvat säilymislait.
Ensimmäiset tunnetut liikevakiot olivat liikemäärä ja energia, joita ehdottivat sellaisiksi 1600-luvulla törmäyskokeiden perusteella René Descartes ja Gottfried Leibniz ja joiden säilymisen ovat myöhemmät tutkijat vahvistaneet. Isaac Newton oli ensimmäinen, joka esitti liikemäärän säilymislain nykyisessä muodossa ja osoitti, että se on seuraus Newtonin kolmannesta laista eli voiman ja vastavoiman laista. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan liikemäärän, energian ja liikemäärämomentin säilymislait pitävät tarkkaan ottaen paikkansa vain, jos ne ilmaistaan jännitys-energia-tensorin (gravitaatioon liittymätön jännitys ja energia) sekä jännitys-energia-liikemäärä-pseudotensorin (gravitaatioon liittyvä jännitys-energia) avulla. Sen, että gravitaatioon liittymätön liikemäärä ja energia säilyvät vapaasti putoavassa vertailujärjestelmässä, ilmaisee se seikka, että jännitys-energia-tensorin kovariantti divergenssi on nolla. Taivaanmekaniikassa tärkeisiin säilyviin suureisiin kuuluu myös Laplacen-Rungen-Lenzin vektori.
Fyysikot kehittivät 1700-luvun lopulla ja 1800-luvun alussa järjestelmällisempiä keinoja invarianttien löytämiseksi. Suurta edistysaskelta merkitsi vuonna 1788 kehitetty Lagrangen mekaniikka, joka liittyy vähimmän vaikutuksen periaatteseen. Tässä lähestymistavassa systeemin tilaa voidaan kuvata millä tahansa yleisetyillä koordinaateilla q: liikelakeja ei tällöin tarvitse välttämättä esittää karteesisilla koordinaateilla, kuten Newtonin mekaniikassa oli tapana. Aktio eli vaikutus määritellään Lagrangen funktion L integraalina ajan suhteen
missä pilkku q:n yläpuolella merkitsee koordinaattien q muutosnopeutta ajan suhteen.
Hamiltonin periaate ilmoittaa, että systeemin todellinen liikerata q(t) on sellainen, että radan infinitesimaaliset muutokset eivät aiheuta muutosta aktioon I, ainakaan ensimmäisessä kertaluvussa. Tämä periaate seuraa Eulerin-Lagrangen yhtälöistä,
Jos siis yksi koordinaateista, esimerkiksi qk, ei esiinny Lagrangen funktiossa, yhtälön oikea puoli on nolla ja vasemman puolen on oltava
missä liikemäärä
säilyy koko liikkeen ajan.
Jos siis koordinaatti qk voidaan pitää merkityksettömänä ja se puuttuu Lagrangen funktiosta, viimeksi mainittuun ei vaikuta qk:n muutokset. Lagrangen funktio on tällöin invariantti ja sillä sanotaan olevan fysikaalinen symmetria sellaisissa muutoksissa. Noetherin teoreema sai alkunsa tämän ajatuksen yleistyksenä.
Vaihtoehtoisia menetelmiä säilyvien suureiden löytämiseksi kehitti 1800-luvulla varsinkin William Rowan Hamilton. Hän kehitti esimerkiksi kanonisten muunnosten teorian, joka teki mahdolliseksi muuttaa koordinaatistoa siten, että jokin koordinaatti hävisi Lagrangen funktiosta, mistä edellisen mukaan seuraa kanonisen liikemäärän säilyminen. Toinen, mahdollisesti tehokkain tapa säilyvien suureiden löytämiseksi perustuu Hamiltonin-Jacobin-yhtälöön.
Matemaattinen muotoilu
Yksinkertaisin muoto häiriöiden avulla
Noetherin teoreema on perusidealtaan edellä kuvatun mitättömän pienten koordinaattien poisjättämisen yleistys.
Oletetaan, että edellä määritelty aktio I on invariantti aikamuuttujan pienissä häiriöissä (käyristymisissä ja yleistetyt koordinaatit q fysiikassa yleisesti käytetyillä merkintätavoilla,
missä häiriöt dt and dq ovat molemmat pieniä mutta muuttuvia. Yleisemmin oletetaan, että aktiolla on vaikkapa N sellaista symmetriamuunnosta, toisin sanoen muunnosta, jotka jättävät aktion ennalleen, ja käytetään niille indeksiä r = 1, 2, 3, …, N.
Tällöin häiriöiden yhteisvaikutus voidaan kirjoittaa kaikkien erityyppisten häiriöiden lineaarisena summana,
missä er ovat infinitesimaalisia parametrisia kertoimia, joista generaattori Tr vastaa ajallista kehitystä generaattori Qr yleistettyjä koordinaatteja.
Yhdensuuntaissiirtojen tapauksessa Qr on pituuden yksiköissä ilmaistava vakio, rotaatioiden tapauksessa lineaarinen, q:n komponenttien avulla ilmaistava lauseke, ja parametrit muodostavat kulman.
Näiden määritelmien avulla Noether osoitti, että nämä N suuretta
säilyvät eli ovat liikevakioita. Niiden dimensiot ovat [energia]·[aika] + [liikemäärä]·[pituus] = [aktio]].
Esimerkkejä
Aikainvarianssi
Esimerkkinä käsitellään Lagrangen funktiota, joka ei riipu ajasta, toisin sanoen se on invariantti (symmetrinen) muunnoksissa t → t + dt, kun koordinaatit q eivät muutu. Tässä tapauksessa N = 1, T = 1 and Q = 0; vastaava säilyvä suure on kokonaisenergia H
Siirtoinvarianssi
Tarkastellaan Lagrangen funktiota, joka ei riipu (edellä mainitulla tavalla merkityksettömästä) koordinaatista qk; toisin sanoen se in invariantti (symmetrinen) muunnoksissa qk → qk + dqk. Tässä tapauksessa N = 1, T = 0, and Qk = 1; säilyvä suure on vastaava liikemäärä pkLanczos, s. 403–404
Erityisessä ja yleisessä suhteellisuusteoriassa nämä näennäisesti erilliset säilymislait ovat saman lain, jännitys-energia-tensorin säilymislain, eri ilmenemismuotoja, Tämä laki johdetaan jäljempänä.
Rotaatioinvarianssi
Liikemäärämonentin L = r × p säilymislaki on analoginen liikemäärän säilymislaille.Lanczos, s. 404-405 Oletetaan, että systeemin Lagrangen funktio on symmetrinen rotaatioiden suhteen, toisin sanoen se ei riipu fysikaalisen systeemin absoluuttisesta suuntautumisesta avaruudessa. Oletetaan, että Lagrangen funktio ei muutu akselin pienissä n kulman δθ suuruisissa rotaatioissa. Tällaisissa rotaatioissa karteesiset koordinaatit muuntuvat yhtälön
mukaisesti. Koska aika ei tässä muutu, on T=0. Pidetään kulmaa δθ parametrina ε ja karteesisia koordinaatteja r yleistettyinä koordinaatteina q; tällöin vastaavat muuttujat Q saadaan lausekkeella
Tällöin Noetherin teoreeman mukaan seuraava suure säilyy:
Toisin sanoen liikemäärämomentin L akselin n suuntainen komponentti säilyy.
Jos n on mielivaltainen, eli systeemiin eivät vaikuta mitkään rotaatiot, L:n kaikki komponentit säilyvät, eli lyhyesti sanottuna liikemäärämomentti säilyy.
Kenttäteoreettinen versio