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数学的实在与统一 精选

已有 7874 次阅读 2009-12-3 08:49 |个人分类:数学|系统分类:科研笔记

 
 
与罗素一起写《数学原理》的怀特海(A. N. Whitehead)说,“数学的确定性依赖于其完全抽象的一般性”。哈代认为这是废话,从一定意义说,数学的“一般性”就是“抽象性”。关于数学的“确定性”,爱因斯坦1921年7月在普鲁士科学院的一个演讲中有过很好的说明:“当数学命题谈论实在时,它们是不确定的;当它们确定的时候,并不涉及实在。”这话有点儿“拗口”,它牵涉到另一个问题,即数学有其自身的“实在”,不论概念的来源如何。这个不涉及物质实在的“实在”,当然也就是“抽象”。哈代在“自白”里也明确提出了“数学的实在性”:  
 
我相信数学的实在性处于我们之外,我们的责任就是去发现和观察它,我们所证明的定理,我们自诩为我们的“创造”的东西,不过是我们观察的笔记。  
 
不过,哈代的数学实在性,不但独立于人,也独立于物理世界: 
 
每种几何都是一种模型,一种思想模式,由其特殊模式的趣味和美来判断。它是一张地图或一幅画,是众多双手协同绘制的,是数学实在性的某个片断的部分而残缺的副本(尽管在它扩张的领地还是精确的)。但至少有一样东西,其纯几何不是图画,那就是物理实在的时空实在性。……“纯几何”独立于讲堂或物理世界的任何其他细节……我们不能精确描述[物理世界]的模式,但可以精确描述纯几何的模式……  
 
发明“生命机器”的数学家John Horton Conway对数学的本质也感到疑惑:  
数学家遇到的东西很好玩儿。数学对象的本质是什么?它们如何存在?它们在什么意义上存在?它们无疑是存在的,但你无法刺它戳它,而只能思考它。做了那么多年的数学家,它依然令我惊奇,而我还是不能明白……  
我们还可以看一个更具体的例子。数学家兼物理学家的彭罗斯在《皇帝新脑》中谈到了分形的实在性,他认为Mandelbrot集似乎不止是人类头脑的一部分,还有其自身的实在性;它不是人类头脑的发明,而是一个发现,它和珠穆朗玛峰一样,就耸立在那儿。
 
Conway在剑桥的学生Richard Ewen Borcherds证明了老师的“魔幻月光(monstrous moonshine)猜想”(我想以后细说这个有趣的东西),他说:  
有个问题一直令我困惑:为什么竟然存在数学?这大概也属于终极性的问题——就像宇宙为什么存在,为什么有意识——也许永远不会有合理的答案……魔群显然是某种独立的存在,半人马座的毛茸茸的棕色小生命大概也能发现它,而且性质和大小和我们的一样。这是区分科学知识的好与坏的一种方法:半人马座的先进文明也有等价形式的广义相对论和Galois理论等东西,但我想他们大概不会有文明的后现代主义和宗教故事。  
现代物理学似乎为“两个实在”提供了依据。相对论(不论狭义的还是广义的)是改变物理学成长路线的一个里程碑,它几乎就在走“公理化”的路线,而数学在前面等着它呢(洛伦兹变换和黎曼几何)。当物理学走得更远时,也有更更远的数学在等着它,例如规范场与纤维丛的“相遇”。杨振宁在陈省身先生去世后,又想起那段他经常提起的佳话:
  
我跟纤维丛本来没有关系,可是在50年代,1954年,我跟米尔斯(Mills)合写了一篇文章《同位旋守恒和同位旋规范不变性》。这篇文章发表后,我并没有跟陈先生讨论过,因为隔行如隔山,彼此并不看见彼此的文章。可是到了60年代末,到了70年代,我才突然了解到,原来数学家讨论过规范理论。有一个数学家告诉我有关纤维丛的研究,而这个纤维丛跟规范场有密切的关系。等到我对纤维丛比较了解以后,我才知道,原来规范场的物理是建筑在一个数学的结构上的。这个数学的结构就是纤维丛,是陈先生做主导发展出来的数学上极为重要的一个观念……  
 
在物理学家看来,两个美妙的理论在概念上的一致,是一大奇迹。特别是数学家在发现它时并没有参考物理世界。陈省身先生说纤维丛“不是凭空想象出来的,它们是自然的,也是真实的!”显然,“真实”与“自然”是从数学本身来说的,就像物理学考虑的对象是自然现象,数学的对象就是数学本身。
 
与经验世界的实在性相应的数学实在性,也许更好地表现在它的“统一性”。Atiyah在1976年所做的英国伦敦数学会主席演讲就是《数学的统一性》。在演讲中,他联系了三个分别来自代数、几何和分析的例子。其实,Atiyah的指标定理,就是统一的绝妙例子。与他共同证明这个定理的Isadore Manual Singer 说, 
 
它通过空间的几何和拓扑量决定了某些微分方程的解的数目。定理及其证明以人们意想不到的方式将分析、几何和拓扑联系到一起了。许多经典公式都成了它的特例。我们在多个方向推广了结果,最近30多年数学家和物理学家也给指标理论添加了很多东西,并在高能物理找到了用场。 
 
思想实验与自然现象的对应,恰好证明了物理学家Wigner一篇文章的题目:“数学的莫名其妙(unreasonable)的功用”。(我说它似乎意味着数学的“前定和谐”,见http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=250038  )有人将数学界定为“研究现实世界中的数量关系与空间形式的一门科学”,现在看来,这个定义不过带着一顶“彻底唯物论”的庸俗帽子,它还可以盖在任何学科的头上,等于什么也没说。
 
也有人将数学的真理性(实在性)划分为逻辑的、模式的和现实的,从概念看似乎很全面,但这样来“感觉”数学,就像欣赏花朵的美丽时分析它的子房、萼片和花瓣儿。其实,哈代说数学的实在性,更像康德所谓的“感觉(或趣味)判断”,而不是“认识判断”,与概念无关。
 
 


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