뇌터 정리 증명 (Noether's Theorem Proof)
1. 설정
정의5.1연속 대칭 변환
무한소 매개변수 에 의한 연속 변환:
이 변환이 대칭이라 함은 작용이 불변인 것을 의미한다: .
2. 단순화된 경우의 증명: 시간 변환 없음
유도뇌터 정리 증명 (시간 고정)
인 경우, 즉 , 고정.
조건: (라그랑지안이 총 미분만큼 변할 수 있음)
1단계: 라그랑지안의 변분을 계산한다:
2단계: 오일러-라그랑주 방정식 를 사용한다:
3단계: 조건 와 비교하면:
따라서 뇌터 보존량은:
■
3. 일반적인 경우의 증명
유도뇌터 정리의 일반 증명
시간 변환을 포함하는 경우 , .
작용의 변분:
여기서 (끝점 이동 효과 포함)를 대입하고, 운동 방정식이 만족된 경로에서:
이면 괄호 안의 양이 상수이다:
■
4. 구체적 적용
예제에너지 보존의 유도
시간 병진 (, ):
이 보존된다.
예제각운동량 보존의 유도
축 주위의 무한소 회전 (원통 좌표에서):
, 이므로:
라그랑지안이 에 무관하면 가 보존된다.
5. 뇌터 정리의 역
참고역정리
보존량 가 주어지면, 대응하는 대칭 변환을 구성할 수 있다. 해밀턴 역학에서 이는 더 자연스럽게 표현된다: 보존량 에 대해:
여기서 는 푸아송 괄호이다. 이 변환이 라그랑지안의 대칭이다.
예: 이면 , (공간 병진) 예: 이면 , (회전)
6. 장론에서의 뇌터 정리
참고연속 계에서의 보존 전류
장론에서 뇌터 정리는 보존 전류(conserved current) 를 준다:
이를 적분하면 보존 전하(conserved charge):
에너지-운동량 텐서 는 시공간 병진 대칭의 뇌터 전류이며:
보존량은 (4-운동량)이다. 이것이 일반상대론에서 에너지-운동량의 원천 역할을 하며, 아인슈타인 장방정식의 우변에 나타난다.