歷史上,,很多女性科學(xué)家都做出了杰出的貢獻(xiàn)。艾米·諾特(Emmy Noether)無(wú)疑是特別的,。在她所處的年代,,社會(huì)給予她的只有障礙,但她依然發(fā)現(xiàn)了物理學(xué)上最偉大的定理之一,。愛(ài)因斯坦說(shuō):“她是數(shù)學(xué)史上最偉大的女性”,。然而很少有人知道她。 諾特定理連接了兩個(gè)非常重要的概念:守恒定律和自然界中的對(duì)稱(chēng)性,。如果你在自然界中看到對(duì)稱(chēng)性,,那么就可以找到與之對(duì)應(yīng)的守恒量,反之亦然,。例如,,一個(gè)鐘擺在真空中周期性地?fù)u擺,,它會(huì)永遠(yuǎn)地?fù)u擺下去,因?yàn)槟芰渴鞘睾愕?,而這告訴我們的是,,物理定律不會(huì)隨著時(shí)間而改變。 100年后的今天,,諾特定理依然是已知物理學(xué)的基礎(chǔ),。 1918年,艾米·諾特發(fā)表了論文 Invariante Variationsprobleme,,她在論文中證明了諾特定理,。(圖源:Wikipedia) 一個(gè)夏日的傍晚,倘若一位游客到訪上世紀(jì)20年代數(shù)學(xué)世界的中心——德國(guó)哥廷根,,他很可能會(huì)從弗里德蘭德大街( Friedl?nder Way)的一間公寓里,,聽(tīng)到聚會(huì)傳來(lái)的喧囂聲。透過(guò)窗戶,,這位游客瞥見(jiàn)一群學(xué)者,。紅酒在杯中流動(dòng),空氣在嗡嗡作響,,談話集中在當(dāng)時(shí)的數(shù)學(xué)問(wèn)題上,。這位游客最終可能會(huì)聽(tīng)到一個(gè)女人的笑聲,她便是艾米·諾特,,一個(gè)富有創(chuàng)造力的數(shù)學(xué)天才,。 記住這個(gè)名字:艾米·諾特 1882年,諾特出生于德國(guó)埃爾蘭根的一個(gè)數(shù)學(xué)家庭,,是數(shù)學(xué)家Max Noether的女兒。小時(shí)候的諾特?cái)?shù)學(xué)天賦并不明顯,,但卻可以解決其他小孩無(wú)法解決的問(wèn)題,。在諾特父親執(zhí)教的埃爾蘭根大學(xué),女性是被禁止成為正式學(xué)生的,,但她們可以在教授的允許下旁聽(tīng),。1904年,當(dāng)這樣的規(guī)定改變時(shí),,諾特很快入學(xué),,并在1907年獲得了博士學(xué)位。 然而,,作為一名女性,,諾特很難得到一個(gè)有收入的學(xué)術(shù)職位。因此,,在獲得博士學(xué)位后,,她從事了數(shù)年的無(wú)薪工作,。1922年,她在個(gè)哥廷根大學(xué)收獲了一個(gè)“非同尋?!钡拿u(yù)教授頭銜,,與那些“尋常”教授頭銜不同,,她的教授席位是非終身的,、擁有部分內(nèi)部行政權(quán)限的、且沒(méi)有報(bào)酬的,。直到1923年,,她才拿到薪水。哥廷根大學(xué)的一位著名數(shù)學(xué)家Hermann Weyl表示:“在她身邊占據(jù)這樣一個(gè)優(yōu)越的位置,,我很羞愧,,她是我所知道的在各方面都比我優(yōu)秀的數(shù)學(xué)家?!?nbsp; 但諾特從容地接受了這些不公的對(duì)待,。她所散發(fā)的人格魅力,使她深受其他人的愛(ài)戴和尊敬,。10年后,,諾特被納粹領(lǐng)導(dǎo)的政府驅(qū)趕,因?yàn)樗仟q太人,,被懷疑持有左翼政治信仰,。從此,人們?cè)僖矡o(wú)法在弗里德蘭德大街聽(tīng)到數(shù)學(xué)家聚會(huì)時(shí)傳來(lái)的歡聲笑語(yǔ),。 1935年,,在她前往美國(guó)賓夕法尼亞州的Bryn Mawr學(xué)院工作的兩年后,她死于手術(shù)并發(fā)癥,,享年53歲,。當(dāng)諾特去世時(shí),愛(ài)因斯坦在《紐約時(shí)報(bào)》上寫(xiě)道:“她是從女性接受高等教育后出現(xiàn)的最富創(chuàng)造力的數(shù)學(xué)天才,?!?nbsp; 盡管艾米·諾特做出了非常巨大貢獻(xiàn),但鮮有人知,。(圖源:The Granger Collection/Topfoto) 盡管大多數(shù)人從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)諾特,,數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家對(duì)她卻從不吝惜贊美之詞。她解決了愛(ài)因斯坦新發(fā)現(xiàn)的引力理論——廣義相對(duì)論中一個(gè)令人困擾的難題,。在這個(gè)過(guò)程中,,她證明了一個(gè)革命性的定理,為當(dāng)時(shí)所知的物理學(xué)提供了一個(gè)統(tǒng)一的視角,,并為此后幾乎所有重大的基本發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ),。諾特的深刻洞見(jiàn),,徹底地改變了物理學(xué)家研究宇宙的方式。 自諾特在1918年7月26日發(fā)表她的定理以來(lái),,已經(jīng)過(guò)去了整整一個(gè)世紀(jì),,但該定理的重要性卻一直持續(xù)到今天。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Frank Wilczek說(shuō):“諾特定理一直是20世紀(jì)和21世紀(jì)物理學(xué)的指路明燈,?!?/p> 除了諾特定理外,她還開(kāi)創(chuàng)了一門(mén)叫做“抽象代數(shù)”的數(shù)學(xué)學(xué)科,。數(shù)學(xué)家Nathan Jacobson曾說(shuō)過(guò):“艾米·諾特是本世紀(jì)最有影響力的數(shù)學(xué)家之一,。抽象代數(shù)的發(fā)展是20世紀(jì)數(shù)學(xué)最矚目的創(chuàng)新之一,這在很大程度上要?dú)w功于她——在發(fā)表的論文,、講座以及對(duì)同時(shí)代人的個(gè)人影響中,。” 在數(shù)學(xué)上,,諾特的思想是如此突出,,以至于她的名字成了一個(gè)形容詞。在許多數(shù)學(xué)文獻(xiàn)中,,都可以見(jiàn)到諾特環(huán)(Noetherian rings),、諾特群(Noetherian groups)和諾特模(Noetherian modules )。 守恒和對(duì)稱(chēng) 諾特發(fā)現(xiàn)了物理學(xué)中兩個(gè)重要概念之間的聯(lián)系:守恒定律和對(duì)稱(chēng)性,。守恒定律——例如能量守恒定律——說(shuō)的是一個(gè)特定的量必須保持恒定,。無(wú)論我們?nèi)绾闻Γ芰慷疾荒鼙粍?chuàng)造或毀滅,。從計(jì)算一個(gè)球滾下山坡的速度到理解核聚變的過(guò)程,,能量守恒的確定性可以幫助物理學(xué)家解決許多問(wèn)題。 那么,,什么是對(duì)稱(chēng)性呢,?Weyl描述了一個(gè)思考這個(gè)概念的簡(jiǎn)單方法:如果你對(duì)一個(gè)物體進(jìn)行某些操作,在這些操作完成之后,,它看起來(lái)和之前是一樣的,那么這個(gè)物體就是對(duì)稱(chēng)的,。例如,,球體是完全對(duì)稱(chēng)的:無(wú)論你朝哪個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)球體,它看起來(lái)都是一樣的,。同樣地,,對(duì)稱(chēng)性也普遍存在于物理學(xué)定律中:物理方程在時(shí)間或空間的不同位置不會(huì)改變。 諾特定理宣稱(chēng),,每一個(gè)這樣的對(duì)稱(chēng)性都有一個(gè)相關(guān)的守恒定律,,反之亦然,。能量守恒與這樣一個(gè)事實(shí)有關(guān),那就是物理規(guī)律在昨天或今天都是一樣的(時(shí)間對(duì)稱(chēng)性),。同樣地,,動(dòng)量守恒與物理規(guī)律在這里或宇宙的任何地方都是一樣的這一事實(shí)有關(guān)(空間對(duì)稱(chēng)性)。 諾特定理(Noether's Theorem)聯(lián)系了物理學(xué)中的兩個(gè)重要概念:對(duì)稱(chēng)性(Symmetry)和守恒(Conservation),。(圖源:Scott Greenberg) 到了20世紀(jì)下半葉,,諾特定理成為了粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)模型描述了微觀尺度的世界,,并預(yù)言了希格斯玻色子的存在,。今天,物理學(xué)家在譜寫(xiě)新理論時(shí),,仍然依賴(lài)于諾特定理,。 對(duì)稱(chēng)性作為指導(dǎo)原則 對(duì)稱(chēng)性本身就具有吸引力。一些研究報(bào)告說(shuō),,人類(lèi)發(fā)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)的臉比不對(duì)稱(chēng)的臉更漂亮,。臉的兩半幾乎是彼此的鏡像,這一特性被稱(chēng)為反射對(duì)稱(chēng),。在藝術(shù)作品中,,我們更是經(jīng)常看到對(duì)稱(chēng)性的出現(xiàn),,比如馬賽克,、紡織品和彩色玻璃窗等。大自然也是如此:一片典型的雪花在旋轉(zhuǎn)60度后,,看起來(lái)是一樣的,。類(lèi)似的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性出現(xiàn)在花朵、蜘蛛網(wǎng)和海膽中等等,。 但諾特定理并不直接適用于這些熟悉的例子,。因?yàn)槲覀冊(cè)谥車(chē)澜缈吹降膶?duì)稱(chēng)性是不連續(xù)的,它們只適用于特定的值,,例如,,雪花的旋轉(zhuǎn)角度為60度。然而,,與諾特定理相關(guān)的對(duì)稱(chēng)性是連續(xù)的:無(wú)論在空間或時(shí)間上移動(dòng)多遠(yuǎn),,它們都是成立的。 其中一種連續(xù)對(duì)稱(chēng)性被稱(chēng)為平移對(duì)稱(chēng)(translation symmetry),,意思是說(shuō)物理定律不隨空間中的位置而變化,,它在這里、哪里、任何地方都是一樣的,。 與每一個(gè)連續(xù)對(duì)稱(chēng)相關(guān)的守恒定律是物理學(xué)的基本工具,。在物理課上,學(xué)生們被教導(dǎo)能量總是守恒的,。當(dāng)一個(gè)臺(tái)球撞擊另一個(gè)臺(tái)球時(shí),,第一個(gè)臺(tái)球的運(yùn)動(dòng)能量就會(huì)被分散:有一些傳到第二個(gè)臺(tái)球的運(yùn)動(dòng),有一些產(chǎn)生聲音或熱量,,有一些能量則留在第一個(gè)球上,。但無(wú)論如何,總能量保持不變,。動(dòng)量也是如此,。 這些規(guī)則被當(dāng)作死記硬背的事實(shí)來(lái)教授,但它們的存在背后是有數(shù)學(xué)原因的,。根據(jù)諾特定理,,能量守恒來(lái)自于時(shí)間的平移對(duì)稱(chēng)性。比如火箭發(fā)射會(huì)將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和勢(shì)能,,由于時(shí)間的對(duì)稱(chēng)性,,因此總能量保持不變。同樣地,,動(dòng)量守恒源自于空間中的平移對(duì)稱(chēng)性,。例如,在牛頓擺中,,當(dāng)一個(gè)球擊中另一個(gè)時(shí),,另一端的球會(huì)向外飛,保持動(dòng)量守恒,。這是為什么,?因?yàn)榭臻g的對(duì)稱(chēng)性。而角動(dòng)量守恒則是從旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性(即物理規(guī)律在空間旋轉(zhuǎn)時(shí)保持不變)中出現(xiàn),。一個(gè)熟悉的例子是,,當(dāng)一位溜冰者把她的手臂收起時(shí),她的旋轉(zhuǎn)速度會(huì)加快,。這是因?yàn)榭偟慕莿?dòng)量必須保持不變,,而這要?dú)w功于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性。 物理規(guī)律在時(shí)間,、空間和旋轉(zhuǎn)上都是對(duì)稱(chēng)的,。根據(jù)諾特定理,這些對(duì)稱(chēng)性表明能量,、動(dòng)量和角動(dòng)量是守恒的,。(圖源:Scott Greenberg) 在愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論中,,沒(méi)有絕對(duì)的時(shí)間和空間,,守恒定律變得更難以理解,。正是這種復(fù)雜性首先將諾特帶到了這個(gè)話題上。 引力理論的一個(gè)難題 1915年,,作為一個(gè)全新的引力理論,,廣義相對(duì)論將引力描述為物質(zhì)彎曲時(shí)空的結(jié)果。除了愛(ài)因斯坦外,,德國(guó)哥廷根大學(xué)的數(shù)學(xué)家希爾伯特(David Hilbert)和克萊因(Felix Klein)都沉浸在新理論的奇妙世界中,。希爾伯特與愛(ài)因斯坦競(jìng)爭(zhēng),希望發(fā)展出這個(gè)復(fù)雜理論背后的數(shù)學(xué),。 但希爾伯特和克萊因卻遇到了一個(gè)難題,。他們?cè)谠噲D用廣義相對(duì)論的框架寫(xiě)一個(gè)能量守恒的方程時(shí),遇到了一個(gè)無(wú)謂的重復(fù):就好比寫(xiě)“0”等于“0”一樣,,這個(gè)方程沒(méi)有物理意義,。這個(gè)發(fā)現(xiàn)令他們感到驚訝,在這之前并沒(méi)有一個(gè)被接受的理論有這樣的能量守恒定律,。他們想要弄明白為什么廣義相對(duì)論會(huì)有如此奇異的特征,。 這個(gè)時(shí)候,他們邀請(qǐng)諾特加入哥廷根,,以幫助他們揭開(kāi)謎題,。 諾特發(fā)現(xiàn),這些看似奇怪的守恒定律是一種被稱(chēng)為“廣義協(xié)變”的特定類(lèi)型的理論所固有的,。在這樣的理論中,,無(wú)論你是穩(wěn)步前進(jìn)還是瘋狂加速,與理論相關(guān)的方程都是成立的,,因?yàn)槔碚摲匠痰膬蛇叾际峭阶兓?。其結(jié)果是,廣義協(xié)變理論——包括廣義相對(duì)論——總是會(huì)有這些非傳統(tǒng)的守恒定律,。這一發(fā)現(xiàn)被稱(chēng)為諾特第二定律,。 在她證明第二個(gè)定理的過(guò)程中,諾特證明了她的第一個(gè)定理是關(guān)于對(duì)稱(chēng)性和守恒定律之間的聯(lián)系,。1918年7月26日,,這兩個(gè)結(jié)果被發(fā)表在 G?ttinger Nachrichten 上。 難以捉摸的伙伴 在諾特去世后,,諾特定律繼續(xù)閃耀著光芒,,尤其是在粒子物理學(xué)中。要梳理出基本粒子世界發(fā)生的神秘事情是非常困難的,。Wilczek說(shuō):“我們必須依靠理論洞察力,、美學(xué)和對(duì)稱(chēng)性的概念來(lái)猜測(cè)事物可能是如何運(yùn)作的。” 諾特定理帶來(lái)了很大的幫助,。 在粒子物理學(xué)中,,相關(guān)的對(duì)稱(chēng)性是被稱(chēng)為“規(guī)范對(duì)稱(chēng)”的隱藏類(lèi)型。物理學(xué)家在電磁學(xué)中發(fā)現(xiàn)了這種對(duì)稱(chēng)性,,它導(dǎo)致了電荷守恒,。 規(guī)范對(duì)稱(chēng)出現(xiàn)在電壓的定義中。電壓是兩點(diǎn)之間的電勢(shì)差異,。電勢(shì)本身的實(shí)際值并不重要,,重要的是差值。這在電勢(shì)上創(chuàng)造了一種對(duì)稱(chēng)性:它的整體值可以在不影響電壓的情況下改變,。這一特性解釋了為什么鳥(niǎo)站在電線上不會(huì)觸電,,但如果它同時(shí)接觸到兩根電勢(shì)不同的電線,那么,,悲劇將立即降臨在鳥(niǎo)的身上,。 在上個(gè)世紀(jì)60和70年代,物理學(xué)家擴(kuò)展了這一概念,,發(fā)現(xiàn)了與守恒定律相關(guān)的,、其它隱藏的對(duì)稱(chēng)性來(lái)發(fā)展粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。 在發(fā)現(xiàn)守恒定律的任何地方,,物理學(xué)家都在尋找對(duì)稱(chēng)性,,反之亦然。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型解釋了大量的基本粒子以及它們之間的相互作用,。許多物理學(xué)家都認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)模型是有史以來(lái)最成功的科學(xué)理論之一,,因?yàn)樗軌蚓_地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然而,,標(biāo)準(zhǔn)模型并不完美,,還有許多問(wèn)題是它無(wú)法解釋的。 一直以來(lái),,物理學(xué)家的目標(biāo)便是構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一理論,,用幾個(gè)方程就可以描述萬(wàn)物,盡管這已經(jīng)被證明是非常困難的,。這些統(tǒng)一理論是建立在基本對(duì)稱(chēng)的假設(shè)上,。什么樣的對(duì)稱(chēng)性能夠統(tǒng)一基本力中的電弱力(電磁力和弱核力的統(tǒng)一)和強(qiáng)核力,物理學(xué)家還不知道,。但是尋找這樣的一個(gè)“大統(tǒng)一理論”是物理學(xué)中一個(gè)活躍的領(lǐng)域,。 一個(gè)好的大統(tǒng)一理論能夠預(yù)言宇宙中的質(zhì)子和中子從何而來(lái)。質(zhì)子和中子這兩種粒子被稱(chēng)為重子,,重子的總數(shù)應(yīng)該是守恒的,。在實(shí)驗(yàn)上,,科學(xué)家尋找的是質(zhì)子是否會(huì)發(fā)生衰變。如果我們觀測(cè)到質(zhì)子衰變,,那么我們就會(huì)知道重子數(shù)是否真的守恒,,這是大統(tǒng)一理論的關(guān)鍵線索。 但是,,當(dāng)我們尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論時(shí),物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種隱藏的對(duì)稱(chēng),,稱(chēng)為超對(duì)稱(chēng),,這是許多大統(tǒng)一理論的核心。超對(duì)稱(chēng)是建立在統(tǒng)一兩組主要的基本粒子的基礎(chǔ)上:費(fèi)米子(比如電子和夸克)和玻色子(比如光子和希格斯玻色子),。它假設(shè)所有的費(fèi)米子都有一個(gè)玻色子伙伴,,反之亦然。 對(duì)稱(chēng)性是標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ),。圖中圓圈部分代表了標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子,,比如光子和電子。外圍則是超對(duì)稱(chēng)理論提出的假想粒子,。(圖源:YouTube/Particle Fever) 超對(duì)稱(chēng)優(yōu)美地解決了許多標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法解決的問(wèn)題,,因此大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)的首要任務(wù)便是尋找超對(duì)稱(chēng)的跡象。但到目前為止,,科學(xué)家還未發(fā)現(xiàn)這樣的粒子,,盡管人們對(duì)探測(cè)寄予厚望,一些物理學(xué)家開(kāi)始質(zhì)疑超對(duì)稱(chēng)的正確性,。也許對(duì)稱(chēng)性只能讓物理學(xué)家走到這一步,。 這一觀點(diǎn)讓一些物理學(xué)家左右為難。如果這不是一直以來(lái)的指導(dǎo)原則——即越對(duì)稱(chēng)越好——那么指導(dǎo)原則究竟是什么,? 三維空間和二維表面 盡管這個(gè)局面令人沮喪,,但對(duì)稱(chēng)性在物理學(xué)上仍然保持其光芒。諾特定理是發(fā)展量子引力的潛在理論的必要工具,。量子引力理論把兩種截然不同的理論——廣義相對(duì)論和量子力學(xué)——結(jié)合在一起,。諾特的工作幫助科學(xué)家理解在這樣一個(gè)統(tǒng)一的理論中可以出現(xiàn)怎樣的對(duì)稱(chēng)性。 在眾多理論中,,有一個(gè)候選者依賴(lài)于兩種互補(bǔ)理論間的聯(lián)系:二維表面的量子理論可以作為三維彎曲時(shí)空中量子引力理論的全息投影,。這意味著,三維宇宙中包含的信息,,可以編碼到環(huán)繞它的二維表面上,。 試想一下,一瓶汽水罐的標(biāo)簽上描述了罐中每個(gè)氣泡的大小和位置,,并列出了這些氣泡是如何合并和破裂的,。一個(gè)好奇的研究人員可以利用罐子表面的行為來(lái)了解罐子內(nèi)部的情況,,例如計(jì)算搖晃罐子時(shí)可能發(fā)生的事情。對(duì)于物理學(xué)家來(lái)說(shuō),,理解一個(gè)更簡(jiǎn)單的二維理論可以幫助他們理解發(fā)生在三維物體內(nèi)部更復(fù)雜的情況,。(這種全息原理(holographic principle)適用的量子引力理論被稱(chēng)為弦理論,在弦理論中,,粒子是通過(guò)振動(dòng)的弦來(lái)描述的,。) 在一個(gè)描述粒子二維空間行為的理論可以作為三維量子引力的全息圖。這就像僅僅通過(guò)閱讀標(biāo)簽就能研究汽水罐里面的氣泡一樣,。(圖源:E. OTWELL) 物理學(xué)家Daniel Harlow說(shuō):“諾特定理是這個(gè)故事中非常重要的一部分,。” 二維量子理論中的對(duì)稱(chēng)性出現(xiàn)在不同背景下的三維量子引力理論中,。通過(guò)一種令人滿意的轉(zhuǎn)換,,諾特第一、第二定理被連接起來(lái)了:描述二維空間的第一個(gè)定理,,與描述三維空間的第二個(gè)定理有著同樣的表述,。這就好比有兩個(gè)句子,一句是中文,,一句是英文,,在翻譯的時(shí)候意識(shí)到它們用不同的方式表達(dá)了同一件事。 永存的聯(lián)系 是的,,諾特的工作徹底改變了我們理解宇宙的方式,。當(dāng)你下次閱讀到關(guān)于宇宙暴脹理論、超對(duì)稱(chēng)粒子,、或者一切跟萬(wàn)有理論相關(guān)的進(jìn)展時(shí),,都應(yīng)該想到艾米·諾特,她的定理是所有這些理論的核心概念,。 徐一鴻在《可畏的對(duì)稱(chēng)》一書(shū)中所寫(xiě)道:
參考資料 [1] http://www./videos/emmy-noether-her-life-work-and-influence [2] https://www./article/emmy-noether-theorem-legacy-physics-math [3] https://www./science/article/pii/S1355219801000338 [4] https:///pdf/physics/9807044.pdf [5] https:///abs/hep-th/9411110 [6] A.Zee, 《Fearful Symmetry:The Search for Beauty in Modern Physics》 本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“原理”公眾號(hào) |
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