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數學之美:從晦澀方程到人類最高智慧的凝練

更新時間:2024-07-30 文章作者:佚名 信息來源:網絡整理 閱讀次數:

數學中并不缺乏美。vFy物理好資源網(原物理ok網)

是我們缺乏發現美的眼睛。vFy物理好資源網(原物理ok網)

在自然愛好者的眼中,世界上最美的事物就是高山和流水!vFy物理好資源網(原物理ok網)

在人文讀者眼中,人類歷史上最美的東西就是詩歌和歌曲!vFy物理好資源網(原物理ok網)

在那些把愛情看得高于一切的人眼里,世界上最美麗的事物就是蝴蝶的翩翩起舞。vFy物理好資源網(原物理ok網)

在很多科學愛好者眼中,世界上最美妙的東西,就是那些晦澀難懂的方程式,從基本的1+1=2到揭示電磁現象的“麥克斯韋方程組”,從打開黑暗之門的E=mc2到神秘莫測的“德布羅意方程組”,從極其簡單的eπi+1=0歐拉公式到連接相對論和量子論的“狄拉克方程組”……這些公式如此美麗、精妙,是地球上偉大智者畢生心血的升華。vFy物理好資源網(原物理ok網)

有時,我們對這些方程式感到厭惡,但我們可能沒有意識到,我們厭惡的其實是人類的最高智慧!原因是我們沒有發現它們的美。vFy物理好資源網(原物理ok網)

第一名vFy物理好資源網(原物理ok網)

1+1=2vFy物理好資源網(原物理ok網)

獲獎者?vFy物理好資源網(原物理ok網)

別以為銘文很簡單,這個連三歲小孩都知道的公式,是人類的奇點,它預示著自然數的誕生,引發了持續數千年的數字大爆炸。數學創立的所有基本公理都包含在其中。要回答這個公式的邏輯,并不容易。為什么1+1=2而不是3?運算規則是誰規定的?為什么奇數加奇數等于偶數?為什么2是唯一的偶素數?由其衍生的“1+2=3”引起的哥德巴赫猜想,困擾了人類數百年,讓很多高智商群體陷入瘋狂。它從何而來,又將把人類帶向何方?生活從識字開始,人類的一切煩惱,是否也是由知道1+1=2而引起的?vFy物理好資源網(原物理ok網)

2號vFy物理好資源網(原物理ok網)

勾股定理vFy物理好資源網(原物理ok網)

獲獎者畢達哥拉斯和尚高vFy物理好資源網(原物理ok網)

共同獲得銘文獎的還有中國周朝的商皋和古希臘的畢達哥拉斯。商皋只說了這個定理的出現:“斜邊為三,直角為四,弦為五”,卻沒有深究背后的奧秘。作為商皋的后人,我們更要自我反省。而畢達哥拉斯卻發現了背后的規律。這位數字原教旨主義者,一位高舉“萬物皆數”信念的暴君,愛上數學并非是巧舌如簧。勾股定理是人類歷史上第一次將數字與幾何完美結合,一招制勝,牽一發而動全身。勾股定理在溝通數字與客觀世界的同時,也引發了人類歷史上第一次數學大危機——無理數√2的發現。vFy物理好資源網(原物理ok網)

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歐拉公式vFy物理好資源網(原物理ok網)

歐拉的vFy物理好資源網(原物理ok網)

高中物理的密度vFy物理好資源網(原物理ok網)

歐拉vFy物理好資源網(原物理ok網)

歐拉是一位天才,28歲失去右眼,60多歲后完全失明。他遭遇不幸,卻才華橫溢,在數學、力學、航海建筑等方面知識淵博,被譽為歐洲歷史上最多產的數學家。稱18世紀為歐拉世紀并不為過。歐拉心地單純,就如這個歐拉公式,用最簡單的方式傳達了世界上幾乎所有的數學要素。宇宙飛船的速度、蝸牛的螺旋線,都隱藏著作為自然對數底數的無理數e。隱藏在世界上最完美的平面對稱圖形中的無理數π,掀起了人們對數字的狂熱。兩個最簡單的實數0和1,是構造代數的基礎,連最重要的虛數單位i,都包含在其中。 在歐拉之后的未來高中物理的密度,虛數引發了量子力學的理論基礎,從而徹底改變了電子學。vFy物理好資源網(原物理ok網)

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圓周長公式vFy物理好資源網(原物理ok網)

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獲獎者?vFy物理好資源網(原物理ok網)

題記它為自然界最完美的形狀找到了數學表達,同時掀起了全人類的數字狂歡。從祖沖之到歐拉,無數π迷為之著迷。從3.14到3.……,人類對π這2061億位的精度一直執著追求。在計算力時代,這個原始公式間接成為了計算機計算能力的試金石。但時至今日,π的奧秘仍未被揭開。1965年,英國數學家約翰·沃利斯發現圓周率等于無窮多個分數相乘的乘積。2015年,美國羅徹斯特大學的科學家在氫原子能級的量子力學計算中,發現了與圓周率相同的公式。vFy物理好資源網(原物理ok網)

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牛頓第二定律vFy物理好資源網(原物理ok網)

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牛頓vFy物理好資源網(原物理ok網)

這個公式的重要性不可估量,它表明人類最偉大的科學家、最后的煉金術士牛頓用F、M、A三個字母建造了古典物理學大廈。牛頓雖然傲慢無情,但我們凡人只能跪在他的腳下,接受他的目光。1666年,以牛頓第二定律為首的一系列成果,開啟了人與自然關系的新紀元高中物理的密度,自然被他改造成一個可以用數學來衡量的精確系統,某種程度上,連相對論都無法與之相比。從火車進站到火箭起飛,牛頓第二定理公式在應用方面依然是霸主。vFy物理好資源網(原物理ok網)

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質能方程vFy物理好資源網(原物理ok網)

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獲勝者阿爾伯特·愛因斯坦vFy物理好資源網(原物理ok網)

題詞 1905年,歷史上最有權勢的公務員愛因斯坦提出了幾種顛覆人類三觀的理論。想象力和勇氣遠高于常人的愛因斯坦聲稱能量和質量是可以換算的。小小一杯水就能炸掉半座城市。不僅如此,能量和質量的關系超級簡單。愛因斯坦曾開玩笑說:“當結論看似簡單的時候,那一定是上帝在回答?!边@句話無疑打了無神論者愛因斯坦的臉。但換句話說網校頭條,如果這個公式來自上帝,那么原子彈一定是上帝對人類開的一個玩笑。但這個公式的出現也打開了潘多拉魔盒。全人類在這個公式下顫抖了60年!vFy物理好資源網(原物理ok網)

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麥克斯韋方程組vFy物理好資源網(原物理ok網)

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麥克斯韋·溫納vFy物理好資源網(原物理ok網)

題記如果你能看懂這組方程,那么恭喜你,你高數基本不會掛科。如果你能看懂這組方程,并為之震撼,認為只有上帝才能創造出如此完美的公式,那么恭喜你,你距離成為第一流的科學家已經不遠了。因為全世界至少有100位物理學家拜倒在它的腳下。簡單來說,這是一組描述電場、磁場、電荷密度、電流密度之間關系的偏微分方程,由兩個散度方程和兩個旋度方程組成,它們相互耦合,變化方式千差萬別。在整體微分幾何建立之后,麥克斯韋方程組可以利用外微分形式,表示為一個極其簡單的方程。因此,回答麥克斯韋方程組有多少個公式,成為了對一個真正物理學家的考驗。vFy物理好資源網(原物理ok網)

麥克斯韋公式把電磁四大定律融為一體,從此以后,電就是磁,磁就是電。因此,這組方程組是人類歷史上史無前例的物理學大統一,也是物理學家們的一劑強心針。以愛因斯坦為首的眾多一流物理學家,都追隨麥克斯韋的腳步,尋找物理學的大統一。愛因斯坦在奇跡年之后,又孜孜不倦地工作了幾十年,試圖建立引力場理論,但最終失敗了。號稱將量子力學與宏觀世界聯系起來,建立物理學大統一的M理論,至今仍問題重重。vFy物理好資源網(原物理ok網)

8號vFy物理好資源網(原物理ok網)

薛定諤方程vFy物理好資源網(原物理ok網)

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獲勝者薛定諤vFy物理好資源網(原物理ok網)

碑文講的是薛定諤,或許他的貓比他本人還要出名。薛定諤的貓雖然在宏觀上成功解釋了量子疊加原理的問題,但猶如潘多拉魔盒,引發了平行宇宙等一系列爭議,讓很多科學家懷疑人生。最后連薛定諤都無法理解薛定諤方程,相當于量子力學的牛頓第二定律。然而,這個公式的主人,卻是史上最囂張的處男,荷爾蒙滿滿的追女高手。vFy物理好資源網(原物理ok網)

回到正題,薛定諤方程顛覆了人類所知道的確定性世界。薛定諤說世界是隨機的,這個結論直接挑戰了愛因斯坦創立的確定性宇宙觀。薛定諤方程為好萊塢大片提供了理論基礎,騙取了無數票房收入。到目前為止,量子力學和相對論是對宇宙的不同而同樣好的解釋。vFy物理好資源網(原物理ok網)

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德布羅意方程vFy物理好資源網(原物理ok網)

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德布羅意vFy物理好資源網(原物理ok網)

題詞 你可能不知道德布羅意,但你一定記得高中物理里有個東西叫“波粒二象性”。沒錯,波粒二象性就是這個眼神憂郁的家伙提出的。如果說愛因斯坦的質能方程決定了質量和能量之間的關系,那么德布羅意方程則揭示了波長、能量等之間的關系,畫出了完美的等號。vFy物理好資源網(原物理ok網)

與風流韻事眾多的愛因斯坦不同,德布羅意終生單身,生活簡樸。他還是量子學派主編《德布羅意》的人生偶像——他不爭強好勝,寫一個方程就能追求世界和平。他的德布羅意方程一出現,讓原本爭論不休的量子理論大佬們一拍即合,成為現代量子力學的基石之一。vFy物理好資源網(原物理ok網)

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傅里葉變換vFy物理好資源網(原物理ok網)

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這個公式很多人大概都愛不釋手,它不僅折磨了很多數學高手,還虐了丘成桐、陳省身等數學大師。這個公式乍一看就是一個空虛寂寞冷的無聊數學家,整天無所事事,只想虐那個智商低的科學怪人?,F在數學系學生最討厭的人,就包括傅里葉,不過傅里葉說自己很冤枉。因為他之所以想出這個傅里葉變換,主要就是為了讓大家更容易社交,更容易找女朋友。這個公式是數字信號處理領域最重要的基礎,今天我們能上網,全靠傅里葉兩百年前的貢獻。vFy物理好資源網(原物理ok網)

第11號vFy物理好資源網(原物理ok網)

香農定律vFy物理好資源網(原物理ok網)

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題詞 進入信息時代,除了感謝數學家傅立葉,還應該感謝信息界的牛頓香農。他是當之無愧的信息論大師。玩《毒王》的人、看《公主特工》的人、用衛星電話旅行的人、和女朋友通電話的人,請記住,香農是我們的大恩人。如果說傅立葉啟發了人們傳遞信號,那么香農的貢獻就相當于在信息世界構建了交通網絡。香農定律嚴格證明,在高斯白噪聲干擾的信道中,計算最大信息傳輸速率C是多少。喝水別忘了挖井人。不要只記住喬布斯,還要記住他背后的大神香農。vFy物理好資源網(原物理ok網)

第12號vFy物理好資源網(原物理ok網)

狄拉克方程vFy物理好資源網(原物理ok網)

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狄拉克vFy物理好資源網(原物理ok網)

狄拉克方程的出現,讓整個物理學界都松了一口氣,大家終于可以友好地做朋友了。他幾乎成功說服愛因斯坦加入量子理論,自己也理所當然地成為了物理學界的和平使者。玻爾和愛因斯坦兩位大神也找到了握手言和的理由。這個方程把現代物理學的兩大基石:量子力學和相對論——描述微觀世界的量子力學和描述高速運動物體特性的狹義相對論——聚集到了一起。vFy物理好資源網(原物理ok網)

或許最重要的是,狄拉克方程預言了反物質(所有已知粒子的鏡像)的存在。2017年7月21日,四位中國科學家宣布發現與正、負粒子具有相同反物質的“天使粒子”。這正好驗證了偉大的理論物理學家狄拉克在1928年做出的驚人預言:宇宙中每一個基本費米子粒子,一定有一個對應的反粒子。vFy物理好資源網(原物理ok網)

結論vFy物理好資源網(原物理ok網)

探索人文與數學之美vFy物理好資源網(原物理ok網)

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我們可以改編一下大師羅丹的一句話:不是數學缺少美,而是我們缺少發現美的眼睛。我們用一首人文詩來闡釋數學之美——大漠孤煙,長河落日是圓。這首詩描繪了沙漠的雄偉壯麗。從幾何學的角度看,“沙漠”可以看作一個平面,“煙”則是一條垂直于地面的直線(圖1)。第二句把橫臥的長河看作一條直線,把漸漸下沉的落日看作一個圓。“長河落日是圓”則是與直線相切的圓(如圖2所示)。兩幅畫面區分清晰,簡潔明了,剛柔并濟。vFy物理好資源網(原物理ok網)

任何自然的風景都會湮沒在歷史的浪潮中,江岸邊的白發漁樵、樵夫也都會成為過眼云煙。唯有抽象的美才是永恒的!“大漠孤煙直,長河落日圓”是高度凝練的幾何。人文之美、數學之美匯聚于此,有著震撼千古的藝術魅力!vFy物理好資源網(原物理ok網)

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