뇌터 정리

뇌터 정리 출판한 첫 페이지

수리 물리학에서, 뇌터의 정리(-定理, 영어: Noether's theorem)란 어떤 미분가능한 한 물리계의 작용의 대칭성이 하나의 보존법칙에 대응된다는 것이다. 여기서 한 물리계의 작용이란 최소 작용의 원리에 의해 결정되는 계의 행동으로부터 유도되는 한 라그랑지안 함수의 시간적분(또는 라그랑지안 밀도 함수의 공간적분)이다.

뇌터 정리는 현대 이론 물리학의 기본적인 도구이며, 라그랑주 역학, 양자장론등 라그랑지안으로 다룰 수 있는 모든 에 적용된다. 다만, 순수 라그랑주 역학으로 다룰 수 없는 계들도 존재한다. 예를 들어, 마찰이나 점성이 있는 계의 경우, 레일리 흩어지기 함수(Rayleigh dissipation function)를 사용하여야 한다. 이 경우, 연속적인 대칭이 존재하지만 이에 대응되는 보존 법칙이 존재하지 않을 수도 있다.

독일의 수학자 에미 뇌터가 1915년에 증명하고, 1918년 출판하였다.[1][2]

장론에서의 뇌터 정리편집

어떤 대칭에 의하여 장과 시공 좌표가 무한소의 대칭 변환에 대하여 다음과 같이 변환한다고 하자.

 
 

만약 작용이 라그랑지언에 대하여 불변이라면, 라그랑지언의 변환은 어떤 벡터장의 발산이어야만 한다.

 

(만약 라그랑지언이 정확히 불변이라면  이 된다.) 이제

 
 

이다. 여기서

 

변분이다. 따라서,

 
 

로 정의한다면

 

이 된다. 오일러-라그랑주 방정식을 따르는 경로의 경우  이므로, 이러한 경로에서는  가 보존류를 이루며, 다음과 같은 보존량이 존재한다.

 

역학에서의 뇌터 정리편집

고전역학은 1차원 시공간 (=시간) 위의 고전장론으로 여길 수 있다. 이에 따라 역학에서의 뇌터 정리는 장론에서의 뇌터 정리의 특수한 경우이며,

 
 

로 치환하여 얻을 수 있다. 즉, 변환

 
 

에 대하여, 라그랑지언  

 

를 만족시킨다고 하자. 그렇다면 보존량

 

 

이므로, 운동 방정식을 따르는 경로  에 대하여 보존된다.

뇌터 보존량의 예편집

흔히 쓰이는 대칭과 이에 대응하는 보존량은 다음과 같다.

대칭 보존류 보존량
시공간 병진 대칭   에너지-운동량 텐서   4차원 운동량 (에너지, 운동량)
회전 대칭   4차원 각운동량 밀도   4차원 각운동량 (3차원 각운동량  , 총 에너지와 질량 중심의 초기 위치의 곱[3]  )
확대 변환   확대류[4]     (즉,  )
특수 등각 변환    
전자기 U(1) 회전 (대전 스칼라장:  ) 4차원 전류 밀도   전하
복소 페르미온 회전   페르미온 수 보존류   페르미온 수
파동 함수 회전   확률류   1 (=가능한 확률의 합)

참고 문헌편집

  1. Noether, Emmy (1918). “Invariante Variationsprobleme”. 《Nachrichten von der Königliche Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse》 (독일어): 235–257. 
  2. Noether, Emmy (1971). “Invariant variation problems”. 《Transport Theory and Statistical Physics》 (영어) 1 (3): 186-207. arXiv:physics/0503066. doi:10.1080/00411457108231446. 
  3. Baez, John (2006년 3월 4일). “Symmetry under boosts gives what conserved quantity?” (영어). 
  4. Callan, Curtis G., Jr.; Sidney Coleman, Roman Jackiw (1970년 7월). “A new improved energy-momentum tensor”. 《Annals of Physics》 (영어) 59 (1): 42–73. doi:10.1016/0003-4916(70)90394-5. 

같이 보기편집

외부 링크편집