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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 [:1700970772]
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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 4．数学才女论守恒
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在19世纪男性主宰的数学王国中，走出了一位杰出的女数学家：艾米·诺特。她不仅对抽象代数作出重要贡献，也为物理学家们点灯指路。她有关对称和守恒的美妙定理，揭开了自然界一片神秘的面纱。
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艾米·诺特（Emmy Noether，1882—1935年）是一位才华洋溢的德国数学家，曾经受到外尔、希尔伯特及爱因斯坦等人的高度赞扬。当年的希尔伯特为了极力推荐诺特得到大学教职，曾用犀利的语言嘲笑那些性别歧视的学究们说：“大学又不是澡堂！”
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诺特对理论物理最重要的贡献是她的“诺特定理”[22]。这个定理将表示对称性的李群的生成元与物理学中的守恒定律联系起来。表面上看起来，对称性描述的是大自然的数学几何结构，守恒定律说的是某种物理量对时间变化的规律，两者似乎不是一码事。但是，这位数学才女却从中悟出了两者间深刻的内在联系。
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我们继续了解无穷小群以及李群的生成元。从对称性这方面出发，描述它们与物理守恒定律之间的联系。再写一遍U（1）群（或平面转动SO（2）群）的无穷小群生成元：
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G（ε）＝1＋iε， （3-3）
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现在，我们考虑三维旋转群SO（3）的无穷小群。三维旋转可以通过绕空间3个独立转轴的二维转动来实现，所以应该有3种可能的类似于式（3-3）的无限小转动：
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g＝1＋iε1A1， （3-4）
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g＝1＋iε2A2， （3-5）
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g＝1＋iε3A3， （3-6）
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图3-4-1 三维转动不对易
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比较式（3-3），这几个式子中多出了符号Ai，这是因为三维空间中绕不同方向轴的旋转是不对易的。读者从图3-4-1中很容易验证这种不对易性：图3-4-1（a）是将一本书先绕X轴旋转90°，再绕Z轴旋转90°；而图3-4-1（b）所示的是将原来同样位置的这本书先绕Z轴旋转90°，再绕X轴旋转90°。在2个过程中，2次旋转的前后次序不同，造成最后结果不同，而证明了这2次转动是不可对易的。
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因为三维空间旋转不对易，所以SO（3）不是阿贝尔群。这个“非阿贝尔”的性质在它的无穷小群（李代数）上便由算符Ai之间的“李括号”表现出来。对三维旋转群SO（3）而言，3个算符Ai之间的李括号对易子满足下面的对易式：
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［A1，A2］＝A1A2-A2A1＝iA3 （3-7）
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［A2，A3］＝A2A3-A3A2＝iA1 （3-8）
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［A3，A1］＝A3A1-A1A3＝iA2 （3-9）
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这些互相不对易的Ai被称之为李群SO（3）的“生成元”。独立生成元的个数等于李群的阶数，“李群上的李代数”实际上便是研究这些生成元的理论。
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为了更清楚地解释生成元的意义，我们首先通过几条简单的代数运算，将SO（3）无穷小群的表达式（3-4）至式（3-6）改写成生成元的表达式：
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熟悉微积分的读者会觉得这些公式有点眼熟，它们与微积分中导数的定义在形式上颇为相似。式（3-10）中的（1）是什么呢？并不是简单的实数值1，而是李群中对应于参数ε＝0时的幺元：（1）＝g（0）。所以，如此看来，生成元A似乎就相当于在幺元处对李群流形的参数曲线作微分时切线的斜率，这也就与我们之前所述“李群上的李代数就是幺元上的切空间”的说法一致，生成元则可看作是构成这个切空间的基矢量。旋转群SO（3）有3个参数，切空间是三维的，因而有3个独立的基矢量A1、A2、A3。空间的基矢量可以有多种方式选取，比如说，我们可以用对群参数1阶导数的微分算符来表示基矢量：
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这里还需插进与“量子”有关的一点说明。
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