拉格朗日在物理学中有何用途?

艾美·诺特定理如何使用拉格朗日提供计算系统(如行星轨道)对称性数量的公式。

来源:科学美国人

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上周,我介绍了艾米·诺特(Emmy Noether),她是数学和物理领域的杰出人物。我概述了诺特定理如何证明对于系统的每个连续对称性,都存在一个守恒量。

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但这到底是如何工作的呢?为了理解诺特的推理,我们需要更多地讨论理论物理学的基础知识。今天我们将深入探讨微积分和物理学中的一些概念。

在解决高中物理课上的某些问题时(例如,确定行星绕恒星的轨道或球的轨迹),我们使用力方程。 (例如,在第一种情况下,两个物体之间的引力被设置为等于质量乘以行星的加速度。)这种方法产生一个运动方程,它告诉您所讨论的物体将在何时何地。

然而,在大学里,物理专业的学生学习了一种基于能量而不是力的不同方法来解决此类问题。当然,这些方法是等效的,并且会产生相同的结果。但事实证明,能量方法在许多情况下更实用,而且也更容易推广。这就是为什么它被用来证明诺特定理。

介绍拉格朗日函数:物理学中的基本函数

最小作用原理表明哪条轨迹是正确的。图中,q代表广义坐标。

Maschen/Wikimedia Commons (CC0 1.0)​

诺特的把戏:每个对称性都会带来守恒量