유도완성

뇌터 정리 증명 (Noether's Theorem Proof)

1. 설정

정의5.1연속 대칭 변환

무한소 매개변수 ϵ\epsilon에 의한 연속 변환:

qkQk=qk+ϵηk(q,q˙,t)+O(ϵ2)q_k \to Q_k = q_k + \epsilon\,\eta_k(q, \dot{q}, t) + O(\epsilon^2)tT=t+ϵτ(q,q˙,t)+O(ϵ2)t \to T = t + \epsilon\,\tau(q, \dot{q}, t) + O(\epsilon^2)

이 변환이 대칭이라 함은 작용이 불변인 것을 의미한다: δS=0\delta S = 0.

2. 단순화된 경우의 증명: 시간 변환 없음

유도뇌터 정리 증명 (시간 고정)

τ=0\tau = 0인 경우, 즉 qkqk+ϵηkq_k \to q_k + \epsilon\eta_k, tt 고정.

조건: δL=dFdt\delta L = \frac{dF}{dt} (라그랑지안이 총 미분만큼 변할 수 있음)

1단계: 라그랑지안의 변분을 계산한다:

δL=Lqkϵηk+Lq˙kϵη˙k\delta L = \frac{\partial L}{\partial q_k}\epsilon\eta_k + \frac{\partial L}{\partial \dot{q}_k}\epsilon\dot{\eta}_k

2단계: 오일러-라그랑주 방정식 Lqk=ddtLq˙k\frac{\partial L}{\partial q_k} = \frac{d}{dt}\frac{\partial L}{\partial \dot{q}_k}를 사용한다:

δL=ddtLq˙kϵηk+Lq˙kϵη˙k=ϵddt(Lq˙kηk)\delta L = \frac{d}{dt}\frac{\partial L}{\partial \dot{q}_k}\epsilon\eta_k + \frac{\partial L}{\partial \dot{q}_k}\epsilon\dot{\eta}_k = \epsilon\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial L}{\partial \dot{q}_k}\eta_k\right)

3단계: 조건 δL=ϵdFdt\delta L = \epsilon\frac{dF}{dt}와 비교하면:

ddt(kLq˙kηkF)=0\frac{d}{dt}\left(\sum_k \frac{\partial L}{\partial \dot{q}_k}\eta_k - F\right) = 0

따라서 뇌터 보존량은:

I=kpkηkF=const.\boxed{I = \sum_k p_k\eta_k - F = \text{const.}} \quad \blacksquare

3. 일반적인 경우의 증명

유도뇌터 정리의 일반 증명

시간 변환을 포함하는 경우 qkqk+ϵηkq_k \to q_k + \epsilon\eta_k, tt+ϵτt \to t + \epsilon\tau.

작용의 변분:

δS=t1t2[Lqkδqk+Lq˙kδq˙k+dLdtδt]dt+[Lδt]t1t2\delta S = \int_{t_1}^{t_2}\left[\frac{\partial L}{\partial q_k}\delta q_k + \frac{\partial L}{\partial\dot{q}_k}\delta\dot{q}_k + \frac{dL}{dt}\delta t\right]dt + \left[L\,\delta t\right]_{t_1}^{t_2}

여기서 δqk=ϵηkq˙kϵτ\delta q_k = \epsilon\eta_k - \dot{q}_k\epsilon\tau (끝점 이동 효과 포함)를 대입하고, 운동 방정식이 만족된 경로에서:

δS=ϵ[kpk(ηkq˙kτ)+Lτ]t1t2\delta S = \epsilon\left[\sum_k p_k(\eta_k - \dot{q}_k\tau) + L\tau\right]_{t_1}^{t_2}

δS=0\delta S = 0이면 괄호 안의 양이 상수이다:

I=kpkηk(kpkq˙kL)τ=const.\boxed{I = \sum_k p_k\eta_k - \left(\sum_k p_k\dot{q}_k - L\right)\tau = \text{const.}} \quad \blacksquare

4. 구체적 적용

예제에너지 보존의 유도

시간 병진 δt=ϵ\delta t = \epsilon (τ=1\tau = 1, ηk=0\eta_k = 0):

I=(kpkq˙kL)=hI = -\left(\sum_k p_k\dot{q}_k - L\right) = -h

h=kpkq˙kLh = \sum_k p_k\dot{q}_k - L이 보존된다. \quad \blacksquare

예제각운동량 보존의 유도

zz축 주위의 무한소 회전 δϕ=ϵ\delta\phi = \epsilon (원통 좌표에서):

τ=0\tau = 0, ηϕ=1\eta_\phi = 1이므로:

I=pϕ1=μr2ϕ˙=LzI = p_\phi \cdot 1 = \mu r^2\dot{\phi} = L_z

라그랑지안이 ϕ\phi에 무관하면 LzL_z가 보존된다. \quad \blacksquare

5. 뇌터 정리의 역

참고역정리

보존량 I(q,q˙,t)I(q, \dot{q}, t)가 주어지면, 대응하는 대칭 변환을 구성할 수 있다. 해밀턴 역학에서 이는 더 자연스럽게 표현된다: 보존량 II에 대해:

δqk=ϵ{qk,I},δpk=ϵ{pk,I}\delta q_k = \epsilon\{q_k, I\}, \qquad \delta p_k = \epsilon\{p_k, I\}

여기서 {,}\{\cdot, \cdot\}는 푸아송 괄호이다. 이 변환이 라그랑지안의 대칭이다.

예: I=pxI = p_x이면 δx=ϵ\delta x = \epsilon, δpx=0\delta p_x = 0 (공간 병진) 예: I=LzI = L_z이면 δx=ϵy\delta x = -\epsilon y, δy=ϵx\delta y = \epsilon x (회전)

6. 장론에서의 뇌터 정리

참고연속 계에서의 보존 전류

장론에서 뇌터 정리는 보존 전류(conserved current) jμj^\mu를 준다:

μjμ=0\partial_\mu j^\mu = 0

이를 적분하면 보존 전하(conserved charge):

Q=j0d3x,dQdt=0Q = \int j^0\,d^3x, \qquad \frac{dQ}{dt} = 0

에너지-운동량 텐서 TμνT^{\mu\nu}는 시공간 병진 대칭의 뇌터 전류이며:

T0ν=L(0ϕ)νϕη0νLT^{0\nu} = \frac{\partial\mathscr{L}}{\partial(\partial_0\phi)}\partial^\nu\phi - \eta^{0\nu}\mathscr{L}

보존량은 Pν=T0νd3xP^\nu = \int T^{0\nu}\,d^3x (4-운동량)이다. 이것이 일반상대론에서 에너지-운동량의 원천 역할을 하며, 아인슈타인 장방정식의 우변에 나타난다.