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数学的性感 精选

已有 10517 次阅读 2014-6-26 08:53 |个人分类:数学|系统分类:科普集锦


 

   题目的词儿,从前借过一回——10多年前《波斯顿环球报》(The Boston Globe)有过一篇文章:数学什么时候变得性感了?(When did math become sexy?)是从话剧《哥本哈根》引发的感想,说海森堡与玻尔的量子力学争论就洋溢着近乎erotic的激情(a passionthat approaches the erotic)。

   

前几天有朋友在“数学真的是什么”下面说,“对美和数学是什么这个问题最直接的认识就体现在e+1= 0这样的公式中”,还说,“如果欧拉恒等式表达了数学家对物极必反规律的认识,那么美和物极必反是什么关系?是否是说每一个人都对美有着特殊的认识,而这个认识都包含在欧拉公式所蕴含的关系中?以至于可以保证人与人之间的通感/移情?”

 

昨天,那个等式被列为最美“定理”,今天就接着说点儿感想。我面试同学时喜欢问一个小问题:你在哪些地方遇到过π?可回答令人失望,都离不开“圆”的计算。我本想听到这样一些答案:正态分布,正弦函数的周期(或傅里叶变换),布丰针,当然,最好也有欧拉公式……

 

严格说来,π与“圆周率”不是一个东西。“率”只是一个永远近似的实验数,其意义相当于其他的物理学常数,如引力常数、普朗克常数、波尔兹曼常数等——“光速”不算,光速现在是定义的,不需要实验测量了——幸运的是,“圆周率”后来有了归宿,即正弦函数的周期:函数积分导出的圆面积,我们才看到那个“率”恰好就是π;而实验只能说明有那么一个系数而已(且不能证明它是普适的)。这儿可见实验与理论的差别和差距。物理学的梦想就是,为其他常数也找到理论的家。

 

对简单谐振子方程做一点定性分析,就会发现它的解是波动的,而且存在一个波动周期——我们将那个周期定义为π;然后,根据谐振子函数(正弦或余弦)的性质,就可以导出后来的一切的——也包括欧拉公式。

 

费曼在物理学讲义(第一卷第22讲)里也说,我们研究振荡系统时,用得着一个最非凡的几乎令人惊呆的(the most remarkable, almost astounding)数学公式,还称它是一个珍宝(jewel)。

 

欧拉公式的美妙,在于它的巧合和巧合背后的奇妙——它本身只是一个简单的复函数关系的特列,远不如多面体的兄弟公式那么性感。但是,她把5个最普通的数字联系起来了,除了e, π, i,就是01,连2都没浪费——这是多么奇妙的关系啊!然而,如果仅凭这一点,它还只是单纯的形式美,而不是“大美”或康师傅说的“崇高”。借哈代老师的话说,它似乎不那么“严肃”——即我们不能从它,这个等式本身,引出更重大的问题或结果。

大美在于它的存在。我们看到不同起源、不同时代的几个数字(还有一个“虚的”)竟有那样的关系,难道不感觉它背后一定存在着什么吗?我想,它为数学的“实在性”提供了一个美丽的标本——它犹如证明一个生物时代的美丽化石,证明了数学的实在。在这儿,它更是特别证明了那个“虚的我”一点儿也不虚。我们在物理世界真的也让虚空间实在了——exp(iπ)就是将1变成– 1的“虚旋转”——因为它,因为它,时间成为另一维空间,Lorentz变换成为Minkowski空间的旋转,相对论成为不变量理论;因为它,时间与空间“平等”了;因为它,电磁场成为规范场;因为它,最小作用量原理有了路径积分;……

 

1915年5月号的Mathematical Gazette杂志发表了一首无名氏(编者说作者不愿公开姓名)的小诗“The Happy Land”,那“乐土”在哪儿呢?在Riemann猜想,在复分析和复流形……

 

It lies afar on the Z-prime plane,

Conformal, mapped by a Cauchy brain,

Where genius sees with the complexi,

And the Spirit of Functions dwells thereby,

It is there, it is there, my child.

 



 




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