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数学之美:从晦涩方程到人类最高智慧的凝练

更新时间:2024-07-30 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

数学中并不缺乏美。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

是我们缺乏发现美的眼睛。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

在自然爱好者的眼中,世界上最美的事物就是高山和流水!8Sb物理好资源网(原物理ok网)

在人文读者眼中,人类历史上最美的东西就是诗歌和歌曲!8Sb物理好资源网(原物理ok网)

在那些把爱情看得高于一切的人眼里,世界上最美丽的事物就是蝴蝶的翩翩起舞。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

在很多科学爱好者眼中,世界上最美妙的东西,就是那些晦涩难懂的方程式,从基本的1+1=2到揭示电磁现象的“麦克斯韦方程组”,从打开黑暗之门的E=mc2到神秘莫测的“德布罗意方程组”,从极其简单的eπi+1=0欧拉公式到连接相对论和量子论的“狄拉克方程组”……这些公式如此美丽、精妙,是地球上伟大智者毕生心血的升华。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

有时,我们对这些方程式感到厌恶,但我们可能没有意识到,我们厌恶的其实是人类的最高智慧!原因是我们没有发现它们的美。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

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1+1=28Sb物理好资源网(原物理ok网)

获奖者?8Sb物理好资源网(原物理ok网)

别以为铭文很简单,这个连三岁小孩都知道的公式,是人类的奇点,它预示着自然数的诞生,引发了持续数千年的数字大爆炸。数学创立的所有基本公理都包含在其中。要回答这个公式的逻辑,并不容易。为什么1+1=2而不是3?运算规则是谁规定的?为什么奇数加奇数等于偶数?为什么2是唯一的偶素数?由其衍生的“1+2=3”引起的哥德巴赫猜想,困扰了人类数百年,让很多高智商群体陷入疯狂。它从何而来,又将把人类带向何方?生活从识字开始,人类的一切烦恼,是否也是由知道1+1=2而引起的?8Sb物理好资源网(原物理ok网)

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勾股定理8Sb物理好资源网(原物理ok网)

获奖者毕达哥拉斯和尚高8Sb物理好资源网(原物理ok网)

共同获得铭文奖的还有中国周朝的商皋和古希腊的毕达哥拉斯。商皋只说了这个定理的出现:“斜边为三,直角为四,弦为五”,却没有深究背后的奥秘。作为商皋的后人,我们更要自我反省。而毕达哥拉斯却发现了背后的规律。这位数字原教旨主义者,一位高举“万物皆数”信念的暴君,爱上数学并非是巧舌如簧。勾股定理是人类历史上第一次将数字与几何完美结合,一招制胜,牵一发而动全身。勾股定理在沟通数字与客观世界的同时,也引发了人类历史上第一次数学大危机——无理数√2的发现。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

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欧拉公式8Sb物理好资源网(原物理ok网)

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高中物理的密度8Sb物理好资源网(原物理ok网)

欧拉8Sb物理好资源网(原物理ok网)

欧拉是一位天才,28岁失去右眼,60多岁后完全失明。他遭遇不幸,却才华横溢,在数学、力学、航海建筑等方面知识渊博,被誉为欧洲历史上最多产的数学家。称18世纪为欧拉世纪并不为过。欧拉心地单纯,就如这个欧拉公式,用最简单的方式传达了世界上几乎所有的数学要素。宇宙飞船的速度、蜗牛的螺旋线,都隐藏着作为自然对数底数的无理数e。隐藏在世界上最完美的平面对称图形中的无理数π,掀起了人们对数字的狂热。两个最简单的实数0和1,是构造代数的基础,连最重要的虚数单位i,都包含在其中。 在欧拉之后的未来高中物理的密度,虚数引发了量子力学的理论基础,从而彻底改变了电子学。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

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圆周长公式8Sb物理好资源网(原物理ok网)

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获奖者?8Sb物理好资源网(原物理ok网)

题记它为自然界最完美的形状找到了数学表达,同时掀起了全人类的数字狂欢。从祖冲之到欧拉,无数π迷为之着迷。从3.14到3.……,人类对π这2061亿位的精度一直执着追求。在计算力时代,这个原始公式间接成为了计算机计算能力的试金石。但时至今日,π的奥秘仍未被揭开。1965年,英国数学家约翰·沃利斯发现圆周率等于无穷多个分数相乘的乘积。2015年,美国罗彻斯特大学的科学家在氢原子能级的量子力学计算中,发现了与圆周率相同的公式。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

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牛顿第二定律8Sb物理好资源网(原物理ok网)

定律8Sb物理好资源网(原物理ok网)

牛顿8Sb物理好资源网(原物理ok网)

这个公式的重要性不可估量,它表明人类最伟大的科学家、最后的炼金术士牛顿用F、M、A三个字母建造了古典物理学大厦。牛顿虽然傲慢无情,但我们凡人只能跪在他的脚下,接受他的目光。1666年,以牛顿第二定律为首的一系列成果,开启了人与自然关系的新纪元高中物理的密度,自然被他改造成一个可以用数学来衡量的精确系统,某种程度上,连相对论都无法与之相比。从火车进站到火箭起飞,牛顿第二定理公式在应用方面依然是霸主。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

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质能方程8Sb物理好资源网(原物理ok网)

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获胜者阿尔伯特·爱因斯坦8Sb物理好资源网(原物理ok网)

题词 1905年,历史上最有权势的公务员爱因斯坦提出了几种颠覆人类三观的理论。想象力和勇气远高于常人的爱因斯坦声称能量和质量是可以换算的。小小一杯水就能炸掉半座城市。不仅如此,能量和质量的关系超级简单。爱因斯坦曾开玩笑说:“当结论看似简单的时候,那一定是上帝在回答。”这句话无疑打了无神论者爱因斯坦的脸。但换句话说网校头条,如果这个公式来自上帝,那么原子弹一定是上帝对人类开的一个玩笑。但这个公式的出现也打开了潘多拉魔盒。全人类在这个公式下颤抖了60年!8Sb物理好资源网(原物理ok网)

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麦克斯韦方程组8Sb物理好资源网(原物理ok网)

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高中物理的密度8Sb物理好资源网(原物理ok网)

麦克斯韦·温纳8Sb物理好资源网(原物理ok网)

题记如果你能看懂这组方程,那么恭喜你,你高数基本不会挂科。如果你能看懂这组方程,并为之震撼,认为只有上帝才能创造出如此完美的公式,那么恭喜你,你距离成为第一流的科学家已经不远了。因为全世界至少有100位物理学家拜倒在它的脚下。简单来说,这是一组描述电场、磁场、电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程,由两个散度方程和两个旋度方程组成,它们相互耦合,变化方式千差万别。在整体微分几何建立之后,麦克斯韦方程组可以利用外微分形式,表示为一个极其简单的方程。因此,回答麦克斯韦方程组有多少个公式,成为了对一个真正物理学家的考验。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

麦克斯韦公式把电磁四大定律融为一体,从此以后,电就是磁,磁就是电。因此,这组方程组是人类历史上史无前例的物理学大统一,也是物理学家们的一剂强心针。以爱因斯坦为首的众多一流物理学家,都追随麦克斯韦的脚步,寻找物理学的大统一。爱因斯坦在奇迹年之后,又孜孜不倦地工作了几十年,试图建立引力场理论,但最终失败了。号称将量子力学与宏观世界联系起来,建立物理学大统一的M理论,至今仍问题重重。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

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薛定谔方程8Sb物理好资源网(原物理ok网)

施罗8Sb物理好资源网(原物理ok网)

获胜者薛定谔8Sb物理好资源网(原物理ok网)

碑文讲的是薛定谔,或许他的猫比他本人还要出名。薛定谔的猫虽然在宏观上成功解释了量子叠加原理的问题,但犹如潘多拉魔盒,引发了平行宇宙等一系列争议,让很多科学家怀疑人生。最后连薛定谔都无法理解薛定谔方程,相当于量子力学的牛顿第二定律。然而,这个公式的主人,却是史上最嚣张的处男,荷尔蒙满满的追女高手。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

回到正题,薛定谔方程颠覆了人类所知道的确定性世界。薛定谔说世界是随机的,这个结论直接挑战了爱因斯坦创立的确定性宇宙观。薛定谔方程为好莱坞大片提供了理论基础,骗取了无数票房收入。到目前为止,量子力学和相对论是对宇宙的不同而同样好的解释。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

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德布罗意方程8Sb物理好资源网(原物理ok网)

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德布罗意8Sb物理好资源网(原物理ok网)

题词 你可能不知道德布罗意,但你一定记得高中物理里有个东西叫“波粒二象性”。没错,波粒二象性就是这个眼神忧郁的家伙提出的。如果说爱因斯坦的质能方程决定了质量和能量之间的关系,那么德布罗意方程则揭示了波长、能量等之间的关系,画出了完美的等号。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

与风流韵事众多的爱因斯坦不同,德布罗意终生单身,生活简朴。他还是量子学派主编《德布罗意》的人生偶像——他不争强好胜,写一个方程就能追求世界和平。他的德布罗意方程一出现,让原本争论不休的量子理论大佬们一拍即合,成为现代量子力学的基石之一。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

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傅里叶变换8Sb物理好资源网(原物理ok网)

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傅立叶8Sb物理好资源网(原物理ok网)

这个公式很多人大概都爱不释手,它不仅折磨了很多数学高手,还虐了丘成桐、陈省身等数学大师。这个公式乍一看就是一个空虚寂寞冷的无聊数学家,整天无所事事,只想虐那个智商低的科学怪人。现在数学系学生最讨厌的人,就包括傅里叶,不过傅里叶说自己很冤枉。因为他之所以想出这个傅里叶变换,主要就是为了让大家更容易社交,更容易找女朋友。这个公式是数字信号处理领域最重要的基础,今天我们能上网,全靠傅里叶两百年前的贡献。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

第11号8Sb物理好资源网(原物理ok网)

香农定律8Sb物理好资源网(原物理ok网)

香农·温纳8Sb物理好资源网(原物理ok网)

题词 进入信息时代,除了感谢数学家傅立叶,还应该感谢信息界的牛顿香农。他是当之无愧的信息论大师。玩《毒王》的人、看《公主特工》的人、用卫星电话旅行的人、和女朋友通电话的人,请记住,香农是我们的大恩人。如果说傅立叶启发了人们传递信号,那么香农的贡献就相当于在信息世界构建了交通网络。香农定律严格证明,在高斯白噪声干扰的信道中,计算最大信息传输速率C是多少。喝水别忘了挖井人。不要只记住乔布斯,还要记住他背后的大神香农。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

第12号8Sb物理好资源网(原物理ok网)

狄拉克方程8Sb物理好资源网(原物理ok网)

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狄拉克8Sb物理好资源网(原物理ok网)

狄拉克方程的出现,让整个物理学界都松了一口气,大家终于可以友好地做朋友了。他几乎成功说服爱因斯坦加入量子理论,自己也理所当然地成为了物理学界的和平使者。玻尔和爱因斯坦两位大神也找到了握手言和的理由。这个方程把现代物理学的两大基石:量子力学和相对论——描述微观世界的量子力学和描述高速运动物体特性的狭义相对论——聚集到了一起。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

或许最重要的是,狄拉克方程预言了反物质(所有已知粒子的镜像)的存在。2017年7月21日,四位中国科学家宣布发现与正、负粒子具有相同反物质的“天使粒子”。这正好验证了伟大的理论物理学家狄拉克在1928年做出的惊人预言:宇宙中每一个基本费米子粒子,一定有一个对应的反粒子。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

结论8Sb物理好资源网(原物理ok网)

探索人文与数学之美8Sb物理好资源网(原物理ok网)

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我们可以改编一下大师罗丹的一句话:不是数学缺少美,而是我们缺少发现美的眼睛。我们用一首人文诗来阐释数学之美——大漠孤烟,长河落日是圆。这首诗描绘了沙漠的雄伟壮丽。从几何学的角度看,“沙漠”可以看作一个平面,“烟”则是一条垂直于地面的直线(图1)。第二句把横卧的长河看作一条直线,把渐渐下沉的落日看作一个圆。“长河落日是圆”则是与直线相切的圆(如图2所示)。两幅画面区分清晰,简洁明了,刚柔并济。8Sb物理好资源网(原物理ok网)

任何自然的风景都会湮没在历史的浪潮中,江岸边的白发渔樵、樵夫也都会成为过眼云烟。唯有抽象的美才是永恒的!“大漠孤烟直,长河落日圆”是高度凝练的几何。人文之美、数学之美汇聚于此,有着震撼千古的艺术魅力!8Sb物理好资源网(原物理ok网)

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