«Նյոթերի թեորեմ»–ի խմբագրումների տարբերություն

չ
կետադրական
(Հեռացվում է {{խմբագրում եմ}} կաղապարը)
չ (կետադրական)
'''Նյոթերի թեորեմը''' պնդում է, որ ֆիզիկական համակարգի յուրաքանչյուր անընդհատ [[սիմետրիա (ֆիզիկա)|սիմետրիայի]] համապատասխանում է որոշակի [[պահպանման օրենք]].
*[[Ժամանակ|Ժամանակի]]ի համասեռությանը համապատասխանում է [[էներգիայի պահպանման օրենք]]ը։
*[[Տարածություն|Տարածության]] համասեռությանը համապատասխանում է [[իմպուլսի պահպանման օրենք]]ը։
*Տարածության [[Իզոտրոպություն|իզոտրոպությանը]] համապատասխանում է [[իմպուլսի մոմենտի պահպանման օրենք]]ը։
*[[Տրամաչափային սիմետրիա|Տրամաչափային սիմետրիային]]յին համապատասխանում է [[Լիցքի պահպանման օրենք|էլեկտրական լիցքի պահպանման օրենքը]] և այլն։
 
Թեորեմը սովորաբար ձևակերպվում է [[գործողություն (ֆիզիկա)|գործողության]] [[ֆունկցիոնալ]] ունեցող մեծությունների համար, և արտահայտում է [[Լագրանժյան|լագրանժյանիլագրանժյան]]ի [[ինվարիանտ (ֆիզիկա)|ինվարիանտությունը]] ձևափոխությունների որոշ [[Լիի խումբ|անընդհատ խմբի]] նկատմամբ։
 
Թեորեմը սահմանել են [[Գյոթինգենի համալսարան|գյոթինգենյան դպրոցի]] գիտնականներ [[Դավիդ Հիլբերտ|Դավիդ Հիլբերտը]]ը, [[Ֆելիքս Կլայն|Ֆելիքս Կլայնը]]ը և [[Էմմի Նյոթեր|Էմմի Նյոթերը]]։ը։ Ապացուցել է Էմմի Նյոթերը 1915 թվականին, հրատարակել՝ 1918 թվականին<ref>{{cite journal | author = Noether E | year = 1918 | title = Invariante Variationsprobleme | journal = Nachr. D. König. Gesellsch. D. Wiss. Zu Göttingen, Math-phys. Klasse | volume = 1918 | pages = 235–257 }}</ref>։
 
== Ձևակերպում ==
: <math>I=\sum^n_{i=1}\left( \frac{d}{ds} g^s(q_i) \right) \frac{\partial L}{\partial \dot q_i}</math>։
 
Ձևակերպենք [[անվերջ փոքր|անվերջ փոքրերի]]երի ձևափոխությունների տերմիններով։ Դիցուք կոորդինատների անվերջ փոքր ձևափոխությունը
: <math>g^s(\vec q) = \vec q_0 + s \vec \psi (\vec q,\; t)</math>
տեսքն ունի, իսկ <math>L(q,\; \dot q,\; t)</math> Լագրանժնի ֆունկցիան ինվարիանտ է այդ ձևափոխությունների նկատմամբ, այսինքն
=== Դաշտի տեսություն ===
 
Նյոթերի թեորեմը կարելի է ընդհանրացնել անվերջ մեծ թվով [[ազատության աստիճաններ|ազատության աստիճաններով]]ով համակարգի համար։ Այդպիսի համակարգեր են [[Գրավիտացիոն դաշտ|գրավիտացիոն]] և [[էլեկտրամագնիսական դաշտ|էլեկտրամագնիսական]] դաշտերը։
Դիցուք համակարգի Լագրանժի ֆունկցիան կախված է <math>n</math> պոտենցիալներից, որոնք իրենց հերթին կախված են <math>k</math> կոորդինատներից։ Գործողության ֆունկցիոնալը կունենա
: <math>S = \int L(A^i,\; \partial_\mu A^i,\; x^\mu)\, d \Omega,\quad i=1, \ldots,\; n,\quad \mu=1,\; \ldots,\; k,\quad d\Omega = dx^1\ldots dx^k</math>
Դիցուք ունենք <math>S=\int L (\vec u, \vec x,\dots ) \, d\boldsymbol x</math> գործողության ֆունկցիոնալով [[վարիացիոն խնդիր]]։ Այստեղ <math>L</math>-ը [[լագրանժյան]]ն է. <math>x</math>-ն՝ անկախ փոփոխականներ, <math>u</math>-ն՝ կախյալ փոփոխականներ, այսինքն՝ ֆունկցիաներ <math>x</math>-ից։ <math>L</math> կարող է կախված լինել նաև <math>u</math>-ի ածանցյալներից ըստ <math>x</math>-ի, պարտադիր չէ միայն առաջին կարգի։
 
Վարիացիոն խնդիրը այսպիսի ֆունկցիոնալի համար հանգեցնում է Էյլեր-Լագրանժի [[դիֆերենցիալ հավասարումներ|դիֆերենցիալ հավասարումների]]ի, որոնք կարելի է գրել
<math>\mathrm{E_\alpha} (L)=0~,~\alpha=1\dots q</math>
 
<math>u^{\alpha}_{x_i}</math>-ն <math>u^{\alpha}</math> ֆունկցիայի ածանցյալն է ըստ <math>x_i</math> փոփոխականի։ Բազմակետը նշանակում է, որ եթե <math>L</math>-ը կախված է առաջինից բարձի կարգի ածանցյալներից, ապա <math>\mathrm{E}</math>-ին պետք է ավելացնել համապատասխան գումարելիները։ Ամփոփ գրառմամբ
<math>\mathrm{E_\alpha}= \sum_J (-D)_J\frac{\partial}{\partial u^{\alpha}_J}</math>,
 
որտեղ <math>J</math> — մուլտինդեքսն է։ Գումարումը կատարվում է ըստ բոլոր բաղադրիչների այնպես, որ <math>u^{\alpha}_J</math> ածանցյալը մտնում է <math>L</math>-ի մեջ։
==== Պահպանման օրենքներ ====
 
Պահպահման օրենքները դիֆերենցիալ հավասարումների համակարգի համար
 
<math>\mathrm{Div} \vec P =0</math>
 
տեսքի արտահայտություններ են, ինչը ճիշտ է այդ համակարգի հավասարումների համար, այնպես որ եթե դրա մեջ տեղադրենք այդ դիֆերենցիալ հավասարումները, կստանանք նույնություն։ Տվյալ դեպքում դիտարկվում են Էյլեր-Լագրանժի դիֆերենցիալ հավասարումներ։ Այստեղ <math>\mathrm{Div}</math>-ն լրիվ [[դիվերգենցիա (մաթեմատիկա)|դիվերգենցիա]] ([[լրիվ ածանցյալ|լրիվ ածանցյալներով]]ներով դիվերգենցիալ) է ըստ <math>x</math>-ի։ <math>\vec P</math>-ն <math>u</math>-ի, <math>x</math>-ի և ըստ <math>x</math>-ի <math>u</math>-ի ածանցյալների հարթ ֆունկցիաներ են։
''Պահպանման տրիվալ օրենքներ'' են կոչվում այն պահպանման օրենքները,
 
* որոնց համար <math>\mathrm{Div} \vec P =0</math>-ն ինքնին նույնություն է՝ առանց որևէ դիֆերենցիալ հավասարում հաշվի առնելու, կամ
«Ընդհանրացումն» այն իմաստով է, որ <math>\xi</math> և <math>\varphi</math>-ն կարող են կախված լինել ոչ միայն <math>u</math>-ից և <math>x</math>-ից, այլև <math>u</math>-ի ածանցյալներից ըստ <math>x</math>-ի։
 
''Սահմանում.'' <math>\vec v</math>-ն կոչվում է <math>S</math> ֆունկցիոնալի ''վարիացիոն սիմետրիա'', եթե գոյություն ունի <math>\vec{\mathrm{B}}(\vec u, \vec x,\dots )</math> համախումբ այնպես, որ
 
<math>\mathrm{pr}\, \vec v (L) +L\, \mathrm{Div}\, \vec \xi=\mathrm{Div}\, \vec{\mathrm{B}}</math>։
 
<math>\mathrm{pr}\, \vec v</math>-ն <math>\vec v</math>-ի ''շարունակությունն'' է։ Շարունակությունը հաշվի է առնում, որ <math>\vec v</math>-ի գործողությունը <math>u</math>-ի և <math>x</math>-ի վրա առաջացնում է նաև ածանցյալների անվերջ փոքր փոփոխություն, և տրվում է
 
<math>\mathrm{pr}\, \vec v = \vec v + \sum_{\alpha,J}\varphi^J_\alpha\frac{\partial}{\partial u^\alpha_J}~,~\varphi^J_\alpha=D_J \bigl(\varphi_\alpha-\sum_i \xi^i u^\alpha_i \bigr)</math>
բանաձևերով։ Շարունակության համար բանաձևում պետք է բացի <math>\vec v</math>-ից վերցնել այնպիսի <math>\partial /\partial u^\alpha_J</math>-ով բաղադրիչներ, որոնց համար <math>u^\alpha_J</math>-ն մտնում է <math>L</math>-ի մեջ, կամ, ընդհանուր դեպքում, այն արտահայտության մեջ, որի վրա ազդում է շարունակությունը։
 
Վարիացիոն սիմետրիայի սահմանման իմաստն այն է, որ <math>\vec v</math>-ն անվերջ փոքր ձևափոխություն է, որոնք առաջին աստիճանում փոխում են <math>S</math> ֆունկցիոնալն այնպես, որ Էյլեր-Լագրանժի հավասարումները ձևափոխվում են համարժեք հավասարումների։ Ճիշտ է հետևյալ թեորեմը.
 
Եթե <math>\vec v</math>-ն վարիացիոն սիմետրիա է, ապա <math>\vec v</math>-ն հանդիսանում է Էյլեր-Լագրանժի հավասարումների (ընդհանրացված) սիմետրիա.
==== Վեկտորական դաշտերի բնութագրեր ====
 
<math>Q_\alpha=\varphi_\alpha-\sum_i\xi^i u^\alpha_i</math> ֆունկցիաների համախումբը (վերը բերված նշանակումներով) կոչվում է <math>\vec v</math> վեկտորական դաշտի բնութագիր։ <math>\vec v</math>-ի փոխարեն կարելի է վերցնել
 
<math>\vec v_Q=\sum_\alpha Q_\alpha \frac{\partial}{\partial u^\alpha}</math>
<math>\vec v</math>-ն և <math>\vec v_Q</math>-ն ըստ էության նույն սիմետրիան են սահմանում, այդ պատճառով եթե հայտնի են <math>Q_\alpha</math>-ի բնութագրերը, կարելի է համարել, որ դրանով սիմետրիան տրված է։ <math>\vec v_Q</math>-ի շարունակությունը որոշվում է <math>\vec v</math>-ի շարունակության նման, բայց ֆորմալ տեսանկյունից ավելի պարզ է, քանի որ կարիք չկա առանձին հաշվի առնելու <math>\xi</math>- երի ներդրումները։
 
Նյոթերի թեորեմը կապ է հաստատում պահպանման օրենքների բնութագրերի և վեկտորական դաշտերի բնութագրերի միջև։
 
==== Նյոթերի թեորեմ ====
== Պահպանման օրենքներ ==
 
Դասական մեխանիկայում [[էներգիա|էներգիայի]]յի, [[իմպուլս (շարժման քանակ)|իմպուլսի]] և [[իմպուլսի մոմենտ|իմպուլսի մոմենտի]]ի [[պահպանման օրենքներ]]ն արտածվում են համակարգի [[լագրանժյան]]ի համասեռություն-իզոտրոպությունից. լագրանժյանը (Լագրանժի ֆունկցիան) ինքնին չի փոփոխվում ժամանակի ընթացքում և չի փոփոխվում տարածության մեջ համակարգի տեղափոխությունից կամ պտույտից։ Ըստ էության դա նշանակում է, որ լաբորատորիայում գտնվող որևէ փակ համակարգի դիտարկելիս, անկախ լաբորատորիայի դիրքից և փորձն անցկացնելու ժամանակից, կստացվեն նույն արդյունքները։ Համակարգի լագրանժյանի մյուս սիմետրիաները, եթե կան այդպիսիք, համապատասխանում են տվյալ համակարգում պահպանվող այլ մեծությունների ([[շարժման ինտեգրալ|շարժման ինտեգրալների]]ների), օրինակ, [[երկու մարմինների խնդիր|երկու մարմինների]] գրավիտացիոն և կուլոնյան խնդրի լագրանժյանի սիմետրիան հանգեցնում է որ միայն էներգիայի, իմպուլսի և իմպուլսի մոմենտի պահպանման, այլև՝ [[Լապլա-Ռունգե-Լենցի վեկտոր|Լապլա-Ռունգե-Լենցի վեկտորի]]ի պահպանման։
 
== Կիրառություններ ==
Նյոթերի թեորեմը թույլ է տալիս նշանակալի տեղեկություն ստանալ դիֆերենցիալ հավասարումների համակարգի լուծումների հատկությունների մասին՝ ելնելով միայն նրանց սիմետրիայից։ Այն նաև [[սովորական դիֆերենցիալ հավասարումներ|սովորական դիֆերենցիալ հավասարումների]]ի ինտեգրման եղանակներից մեկն է, քանի որ թույլ է տալիս որոշ դեպքերում գտնել հավասարումների համակարգի առաջին ինտեգրալը և այդպիսով նվազեցնել անհայտ ֆունկցիաների թիվը։ Օրինակ,
 
* Համակարգի [[իմպուլսի պահպանման օրենք|իմպուլսի պահպանումը]] բխում է տարածական տեղաշարժերի նկատմամբ համակարգի ինվարիանտությունից։ Օրինակ, եթե ''X'' առանցքի երկայնքով տեղաշարժը չի փոխում հավասարումների համակարգը, ուրեմն այդ առանցքի երկայնքով <math>p_x</math> իմպուլսը պահպանվում է։
* [[Իմպուլսի մոմենտի պահպանման օրենք|Իմպուլսի մոմենտի պահպանումը]] բխում է տարածության [[պտույտ|պտույտների]]ների նկատմամբ համակարգի ինվարիանտությունից։
* [[Էներգիայի պահպանման օրենք|Էներգիայի պահպանումը]] ժամանակի համասեռության՝ ժամանակի հաշվարկի սկիզբը կամայական ձևով տեղաշարժելու կարելիության հետևանք է։
 
[[Մասնակի ածանցյալներով հավասարումներ|Մասնակի ածանցյալներով հավասարումների]]ի դեպքում անհրաժեշտ է փնտրել անվերջ թվով առաջին ինտեգրալներ։ Նույնիսկ դրանք իմանալով՝ սովորաբար հեշտ չէ գտնել ընդհանուր լուծում։
 
Հիմնարար բնույթի շնորհիվ Նյոթերի թեորեմը կիրառվում է ֆիզիկային այնպիսի բնագավառներում, ինչպես [[քվանտային մեխանիկա]]ն է՝ հենց իմպուլսի, իմպուլսի մոմենտի և այլ հասկացությունները սահմանելու համար։ Հավասարումների ինվարիանտությունը որոշ սիմետրիաների նկատմամբ այդ մեծությունների միակ իսկությունն է դառնում և երաշխավորում է նրանց պահպանումը։
 
Դաշտի քվանտային տեսությունում Նյոթերի թեորեմի համակերպը ''Ուորդ-Տակահաշիի նույնաությունն'' է, որը թույլ է տալիս ստանալ հավելյալ պահպանման օրենքներ։ Օրինակ, [[Էլեկտրականէլեկտրական լիցք|էլեկտրական լիցքի]]ի պահպաման օրենքը բխում է մասնիկի [[կոմպլեքս թվեր|կոմպլեքս]] [[Ալիքայինալիքային ֆունկցիա|ալիքային ֆունկցիայի]]յի փուլի փոփոխության նկատմամբ ֆիզիկական համակարգի ինվարիանտությունից և էլեկտրամագնիսական դաշտի [[վեկտորական պոտենցիալ|վեկտորական]] ու [[սկալյար պոտենցիալ|սկալյար]] պոտենցիալների համապատասխան [[տրամաչափային ինվարիանտություն|տրամաչափավորումից]]։
 
Նյոթերի լիցքը կիրառվում է նաև ստացիոնար [[սև խոռոչ|սև խոռոչի]]ի [[էնտրոպիա (թերմոդինամիկա)|էնտրոպիան]] հաշվելու համար<ref>[http://arxiv.org/abs/gr-qc/9503052 Calculating the entropy of stationary black holes]. {{ref-en}}</ref>։
 
== Ծանոթագրություններ ==
281 469

edits