1918年夏天,艾米·诺特发表了现在以她的名字命名的定理——在对称性和守恒定律之间建立了深刻的双向联系。这种见解的影响在物理学中无处不在;它构成了我们关于基本相互作用的所有理论的基础,并赋予守恒定律更深层次的意义,使其超越了本就行之有效的经验规则。诺特的论文、讲座以及她与学生和同事之间的人际往来推动了抽象代数的发展,确立了她在二十世纪数学家的先贤祠中的地位。
本文追溯了她从埃尔朗根(Erlangen)到哥廷根(G?ttingen),再到在宾夕法尼亚州布林莫学院(Bryn Mawr College)短暂而快乐的流亡之路,说明了“诺特定理”对我们今天思考方式的重要性。
1918年7月26日,菲利克斯·克莱因在哥廷根皇家科学院做了报告。他宣读的那篇论文是正值纪念他金博士之际,一位名叫艾米·诺特的年轻同事献给他的。
这篇论文包含两个定理,它们对包括粒子物理学在内的物理学产生了非凡的影响。那是哥廷根忙碌的一周,对克莱因来说尤其如此。他不仅要庆祝自己的博士庆典,还在此前一周发表了一篇论文,解释他和大卫·希尔伯特是如何就爱因斯坦广义相对论中能量守恒的思想达成共识的。他们注意到在广义相对论中,通常是能量守恒的约束似乎作为一种恒等式出现,并为此而困惑。那它怎么能约束任何东西呢?这就是他向艾米·诺特求助的问题。
希尔伯特因他在1900年提出的23个问题而在数学家中备受崇敬,并因与柯朗合著的关于数学物理方法的大部头著作广为物理学家所知。
几天后的7月23日,艾米·诺特在德国数学学会总结了她的两个定理的内容。作为一个年轻人——还是一位女士——她没有资格在皇家科学院的会议上发言。于是克莱因报告了她的结果。
他所阅读的论文的标题页揭示了艾米·诺特的有趣方法:她将变分的微积分(或用更专业的术语来说,是欧拉-拉格朗日方程)的概念与群论结合起来,探索可以从对称性约束的微分方程中所能提取的东西。她的主要结果可以表述为两个定理。这些命题的含义是什么?定理I囊括了力学中所有已知的关于首次积分的定理,包括表I中所示的熟知的守恒定律。有意思的是,在诺特的工作之前,人们实际上已经知道在特殊情况下诸如此类关系的例子。
定理II,即微分恒等式,可以被描述为“广义相对论”在群论中最全面的概括。这些定理令人震撼之处在于它们彻底的普遍性。无需把自己限制在一个特定的运动方程上,也不必在一阶导数之后停下,理论上,拉格朗日量中可以有任意多的导数,还可以超越简单的变换,把这一普遍性应用到更复杂的变换。