Теорема Нётер

Двадцать третьего марта 1882 года в баварском городе Эрлангене родилась девочка по имени Эмми Нётер. Ее отец был математиком, она же оказалась математическим гением и внесла важнейший вклад в развитие физики XX века. Влияние ее работ по достоинству оценили только в наши дни. Если бы больше людей понимали математику и физику, Нётер считалась бы одной из важнейших персон XX века.

В 1915 году Нётер опубликовала теорему, которая коренным образом изменила философское понимание природы физических законов. Пока я не узнал о ней, то думал, как до сих пор думает большинство ученых, что законы физики представляют собой ограничители возможностей поведения материи, каким-то образом встроенные в структуру Вселенной. Хотя Нётер и не формулировала эту мысль таким образом, результаты ее работы свидетельствуют, что дело обстоит иначе.

Нётер доказала, что для каждой непрерывной пространственно-временной симметрии существует свой закон сохранения.

Фундаментальные законы физики представлены тремя законами сохранения: законом сохранения энергии, законом сохранения линейного импульса и законом сохранения момента импульса. Нётер доказала, что закон сохранения энергии следует из трансляционной симметрии времени, закон сохранения линейного импульса — из трансляционной симметрии пространства, а закон сохранения момента импульса — из вращательной симметрии пространства.

На практике это означает, что, если физик создает модель, не зависящую от времени, то есть такую, которая будет одинаково работать сегодня, вчера или 13 млрд. лет спустя/назад, эта модель автоматически включает в себя закон сохранения энергии. Физик никак не может повлиять на это. Если он попытается включить в эту модель нарушение закона сохранения энергии, в ней появится логическое противоречие.

Если другой физик создаст модель, не зависящую от конкретной точки пространства, которая будет одинаково работать в Оксфорде, Тимбукту, на Плутоне или в галактике MACS0647-JD, расположенной на расстоянии 13,3 млрд. световых лет от нас, эта модель автоматически будет заключать в себе закон сохранения линейного импульса. Физик вновь-таки бессилен повлиять на это. Если он попытается включить в эту модель нарушение закона сохранения линейного импульса, в ней появится логическое противоречие.

Аналогично любая модель, спроектированная таким образом, чтобы работать с произвольной ориентацией в системе координат, то есть «верх» которой может находиться в Исландии или на Тасмании, обязательно заключает в себе закон сохранения момента импульса.

Поскольку эти три принципа формируют основу классической механики, можно сказать, что это не законы, управляющие поведением материи. Скорее это следующие из принципов симметрии человеческие изобретения, управляющие поведением физиков и давящие на них, когда им вдруг вздумается объективно описать окружающий мир. Нет причин думать, что законы физики — продукт деятельности некоего законодателя, находящегося за пределами физического мира.

В одной из следующих глав я расскажу о принципе, называемом калибровочной инвариантностью, которым можно обобщить теорему Нётер и из которого выводится большинство основных физических законов. Кпримеру, закон сохранения электрического заряда и уравнения Максвелла являются следствием калибровочной симметрии электромагнетизма. Обсуждение философских последствий этой идеи отложим до той же главы.