引領物理學界100多年的發展：諾特原理，現代物理學的基石！

20世紀是經典物理學的終結，現代物理學的開始，提到現代物理學，大家可能想到最多的就是廣義相對論、量子力學這對現代物理學的雙子星，或者是波粒二象形、薛定諤的貓、海森堡測不準定理等，可是要提起現代物理學，是絕對不能少了這個偉大的定理—諾特定理，它是20世紀、21世紀物理學的指路明燈，引領了物理學 100 年的發展，是現代物理學的基石。

它的提出者艾米·諾特幾乎少有人知，她被譽為有史以來最偉大的女數學家，是現代數學之母、抽象代數之母，是可以和高斯、歐拉并列的數學天才，20世紀數學界有兩個人是無法忽略的，他們對20世紀以來的數學起到了引領性的作用，一個是“數學之王”希爾伯特，希爾伯特最偉大的成就是培育了一大批數學家，可以說撐起了 20 世紀數學的半邊天，他提出的“希爾伯特”方案至今仍對數學研究的方向起到引領作用。

而另外一位就是諾特，諾特徹底改變了環、域和代數的理論，使抽象代數學真正成為一門數學分支，她允許學者們無條件地使用她的工作成果，也因此被人們尊稱為“當代數學文章的合著者”，她開創的諾特學派至今仍在影響數學界，被帕維爾·亞歷山德羅夫、阿爾伯特·愛因斯坦、讓·迪厄多內、赫爾曼·外爾和諾伯特·維納形容為數學史上最重要的女人。

然而諾特本人是不幸的，她的父親雖然是著名數學家，著名的“不等式之王” 高丹教授是父親的密友，在他們的影響下，諾特在數學上具有極大的天賦。

然而當時大學并不允許女生注冊，諾特只能作為旁聽生，后來大學允許女生上學之后，諾特考取了博士，成為第一位女數學博士，但是她還是沒有擺脫歧視，她雖然憑借自己強大的科學成就成為了講師，卻沒有薪資。她只能從學生的學費中支取一點點薪金，來維持極其簡樸的生活。

左四希爾伯特

而后來希特勒上臺，作為猶太人的諾特被剝奪了教學的資格，她被迫乘船前往美國，卻又死于外科手術。去世的時候才 53 歲。

如果諾特沒有生活在那樣的環境，她的成就會更大，這是科學史上的遺憾。

諾特一生最幸運的事情就是遇見了希爾伯特，這兩位20世紀最偉大的數學家并沒有如牛頓萊布尼茨一樣針鋒相對交惡數十年，影響數學界數十年的發展。

希爾伯特與諾特亦師亦友。而在聆聽希爾伯特的講課之后，諾特受益匪淺，諾特一生深受希爾伯特的影響，而希爾伯特也十分欣賞她的才華。

也是因為有希爾伯特的幫助，她才能夠進行教學工作，當時希爾伯特想為諾特在哥廷根大學謀求一份工作，這樣，諾特也有一個安定的環境進行科學研究。

然而當時的哥廷根大學沒有專門的數學系。數學、語言學、歷史學都劃在哲學系里，聘請講授必須經過哲學教授會議批準。希爾伯特的努力遭到教授會議中語言學家和歷史學家的極力反對，他們出于對婦女的傳統偏見，連聘為“私人講師”這樣的請求也斷然拒絕。

希爾伯特屢次據理力爭都沒有結果，他氣憤極了，在一次教授會上憤憤地說：“我簡直無法想象候選人的性別竟成了反對她升任講師的理由。先生們，別忘了這里是大學而不是洗澡堂！”

雖然最終沒有成為講師，但是諾特被允許以希爾伯特的名義授課，1916年，諾特應邀來到哥廷根大學，以希爾伯特的名義講授不變式論課程。

1918年，她在希爾伯特等人的思想影響下，發表了兩篇重要論文。其中一篇，就是我們今天要講的諾特定理。

我們知道，物理學中有兩個著名的概念；守恒定律和對稱性。1748年7月16日，羅蒙諾索夫在寫給偉大的數學家萊昂哈德·歐拉的信中做出了首次闡述了守恒定律。

例如，他寫道“自然界所發生的一切變化，都是這樣的：一種東西失去多少，另一種東西就獲得多少。例如，如果某個物體增加了若干物質，另一物體必然有若干物質消失；我睡了多久，那我就必然少清醒多久，如此等等。”

守恒定律被譽為科學史上最偉大的發現之一，也是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。從物理、化學到地質、生物，大到宇宙天體。小到原子核內部，只要有能量轉化，就一定服從能量守恒的規律。

從日常生活到科學研究、工程技術，這一規律都發揮著重要的作用。人類對各種能量，如煤、石油等燃料以及水能、風能、核能等的利用，都是通過能量轉化來實現的。能量守恒定律是人們認識自然和利用自然的有力武器。

人們對于物理學中對稱性的研究其實很早，對稱性是現代物理學中的一個核心概念，系統從一個狀態變換到另一個狀態，如果這兩個狀態等價，則說系統對這一變換是對稱的。或者說給系統一個“操作”，如果系統從一個狀態變到另一個等價的狀態，則說系統對這一操作是對稱的。

當然這是現代物理學的解釋了，物理學中最簡單的對稱性例子是牛頓運動方程的伽利略變換不變性和麥克斯韋方程的洛倫茲變換不變性和相位不變性。

德國數學家外爾是把對稱性運用到物理學中并意識到規范對稱重要性的第一人。由此也為后來的規范場論奠定了基礎。外爾在自己的專著《對稱》中對對稱性有一個簡單明了的闡述：如果你對一個物體進行某些操作，在這些操作完成之后，它看起來和之前是一樣的，那么這個物體就是對稱的。例如，球體是完全對稱的：無論你朝哪個方向轉動球體，它看起來都是一樣的。同樣地，對稱性也普遍存在于物理學定律中：物理方程在時間或空間的不同位置不會改變。

而系統規范地提出對稱性這一概念的還是 1918 年諾特提出的諾特定理，諾特定理可表述為：對于力學體系的每一個連續的對稱變換，都有一個守恒量與之對應。對稱變換是力學體系在某種變換下不變。

簡單來說如果運動規律具有一種對稱性，必相應地存在一條守恒定律。諾特定理聯系了物理學中的兩個重要概念：對稱性和守恒。

由諾特定理，能量守恒來自于時間的平移對稱性。比如火箭發射會將燃料中的化學能轉化為動能和勢能，由于時間的對稱性，因此總能量保持不變，也就是無論你今天發射火箭還是明天發射火箭，你化學能轉化為動能和勢能不可能會隨著時間而改變的。再比如我們把水提升到蓄水池中,所需要做的功是不會隨著時間改變的，不可能說今天重力就變弱了，把水提升到蓄水池中,所需要做的功就會變少。

同樣地，動量守恒源自于空間中的平移對稱性。例如，在牛頓擺中，當一個球擊中另一個時，另一端的球會向外飛，保持動量守恒。這是為什么？因為空間的對稱性。打一個比方，我在兩個不同的地方舉 100 KG 的石頭，舉不舉得起不會因為空間的變換而改變，這就是空間的對稱對稱性，而也不會因為空間的平移受到的力會改變，動量是守恒的。

而角動量守恒則是從旋轉對稱性（即物理規律在空間旋轉時保持不變）中出現。而當一位溜冰者把她的手臂收起時，她的旋轉速度會加快。這是因為總的角動量必須保持不變，而這要歸功于旋轉對稱性。

所以在經典力學體系下，諾特定理中能量守恒對應時間平移不變性，動量守恒對應空間平移不變性，角動量守恒對應于旋轉不變性。

也就是說物理規律在時間、空間和旋轉上都是對稱的。根據諾特定理，這些對稱性表明能量、動量和角動量是守恒的。

后來，諾特定理深入到量子力學，也就是微觀領域，一個基本粒子與它的“鏡像”粒子的所有性質也完全相同，除自旋方向外它們的運動規律也完全一致，具有完全相同的性質，則被稱為宇稱守恒。“宇稱”，粗略的說，可理解為“左右對稱”或“左右交換”。

宇稱守恒都符合粒子的三個基本的對稱方式：

1、一個是粒子和反粒子互相對稱，即對于粒子和反粒子，定律是相同的，這被稱為電荷（C）對稱。

2、一個是空間反射對稱，即同一種粒子之間互為鏡像，它們的運動規律是相同的，這叫宇稱（P）。

3、一個是時間反演對稱，即如果我們顛倒粒子的運動方向，粒子的運動是相同的，這被稱為時間（T）對稱。

宇宙中有四大力，弱力、引力、電磁力都符合宇稱守恒，只有弱力不符合，也正是這一點點的不對稱，才誕生了這繽紛多彩的宇宙，而楊振寧與李政道也因為發現了弱力不守恒而獲得了諾貝爾獎。

諾特定理可以說揭示了自然界最深層次的奧秘，并且它還成為了理論物理的中心結果之一，諾特定理和量子力學深刻相關，因為它僅用經典力學的原理就可以認出和海森堡測不準原理相關的物理量（譬如位置和動量）。可以說諾特定理是罕見適用于經典力學與量子力學的偉大定理之一，因為我們知道經典力學和量子力學的研究領域并不相同。

到了20世紀下半葉,諾特定理成為了粒子物理學標準模型的基礎。標準模型描述了微觀尺度的世界,并預言了希格斯玻色子的存在。因為對于宇宙大一統理論的研究，以及標準模型的構建，離不開規范場論，規范場論是基于對稱變換可以局部也可以全局地施行這一思想的一類物理理論。

在發現守恒定律的任何地方，物理學家都在尋找對稱性，反之亦然。比如人們就在電磁力中成功發現了電荷守恒，而對于諾特定理的研究、深入、擴展，也讓粒子物理學的標準模型得到不斷的發展。

諾特定理是發展量子引力的潛在理論的必要工具。量子引力，又稱量子重力，是描述對重力場進行量子化的理論；主要嘗試結合廣義相對論與量子力學，為當前的物理學尚未解決的問題。它想要把廣義相對論量子化,進而統一包括引力在內的四種基本力。諾特定理則幫助科學家理解在這樣一個統一的理論中可以出現怎樣的對稱性。

可以說，諾特定理涵蓋的對稱性與守恒性兩大概念，是已知物理學的基礎。也是指導現代物理學發展的最重要的數學定理之一，對于實現宇宙大一統、統一四大力則更缺少不了諾特定理，諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·維爾切克說：“諾特定理一直是20世紀和21世紀物理學的指路明燈。”

而諾特定理除了應用于數學領域，是奇異積分方程的基本定理。它并不限于柯西型核的奇異積分方程。

愛因斯坦曾說:“艾米·諾特是數學界的雅典娜,如果沒有她,現代數學和它的教學將會是完全不同的。。。所得到的成果是這一代傳給下一代最珍貴的貢獻”。

諾特定理是諾特獻給數學界、物理界最偉大的財富，它不會被時間所湮沒，相反，隨著時間的不斷流逝，它的作用與意義將會愈加凸顯，更加熠熠生輝。