在物理中,守恒律非常重要,是凌驾在其他定律之上的。
动量守恒定律由牛顿第三定律推导出,是非常浅的物理。只要把目光放到分析力学,就会知道:
设系统的广义坐标为 ,拉格朗日量 ,那么系统的运动满足Lagrange方程
从这个方程出发马上可以得到一个结论,就是如果体系关于 是不变的,就是具有所谓变换的对称性
那么, 是一个守恒量。
如果广义坐标就取为位置坐标 ,那么通过数学运算可以发现 就是这个方向上的动量(简单的一维情形: ),所以我们给它起一个名字叫广义动量 。在物理中,广义动量和广义坐标是对偶的。
上面这个是诺特定理在这里的体现。诺特定理指出,对称性和守恒量是一一对应的。
写了这些,就是想说,对称性与守恒律在物理中的地位是至高的。你看,只要具有空间平移对称性的体系,都是满足动量守恒的。所以,动量守恒是比牛顿第三定律更加基本的性质。
一点题外话:
物理中,最基本的原理是最小作用量原理,就是说如果体系的作用量为 ,那么实际体系的运动满足
无论是经典物理还是量子物理(路径积分),都是满足的。如果体系的作用量 有形式
代入最小作用量原理的方程就有
只要固定初始位置和终止位置,上面第一项就为零,而 是任意取的,所以
这是由变分法推出的欧拉方程,可以看到和Lagrange方程是一样的。这就是为什么Lagrange方程比牛顿运动定律适用面更广(以及这个方程也叫欧拉-拉格朗日方程)的原因。