本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
著名的古希臘數學家、哲學家畢達哥拉斯曾說「萬物皆數」。在21世紀的今天,仍然有很多人認為,畢達哥拉斯的「萬物皆數」是錯誤的唯心主義,但同樣有很多人認為這是真理。畢達哥拉斯的觀點表明,宇宙不僅是有序的、理性的存在,而且這種秩序可以通過數學這種特殊的語言來表達。數學能描述和解釋自然法則和規律、預測自然世界的各種行為,因此,它成為了現代科學所使用的一門通用語言。而畢達哥拉斯正是為此奠定了基礎的那個人。
但是,批判畢達哥拉斯的人認為,數學雖然能夠描述我們的宇宙,但是宇宙並不是按照數學而構建起來的。換句話說,是先有了宇宙然後才有了數學,而非先有數學然後才有了宇宙。但是,從科學的發展歷史來看,人類經常會發現一些奇怪的現象,即,有很多在現實中沒有被發現,甚至很難想像的事物,卻能夠根據數學被推算出來,又進一步被科學實驗所證實。
這裡可以舉一個著名的例子,那就是反物質的發現。我們日常生活中所看到的、所接觸到的所有物質都是普通物質,或者叫「正物質」,其中的電子都是帶負電荷的,所以普通物質中的電子也叫「負電子」。在狄拉克之前,從來沒有人覺得會存在「正電子」,也即帶有正電荷的電子,這種異想天開的事物人們想都不會去想。但是,狄拉克就如同畢達哥拉斯一樣,他相信物理定律應該具有數學之美,而美的東西往往具有對稱性。於是,狄拉克基於洛倫茲對稱性,創造出了著名的狄拉克方程,該方程有一正一負兩個解,與之相對應的,是負電子和正電子。
結果不用多說,從最開始的不相信,到後來實驗證實了正電子的客觀存在,根據狄拉克方程算出的結果不再被認為是荒謬的,之後反夸克也被證實,從而讓科學家們不得不相信,反物質是真實存在的。通過數學發現反物質的例子可以從一個側面印證畢達哥拉斯的「萬物皆數」的觀點也許是正確的,正如比畢達哥拉斯晚出生兩千多年的伽利略所說:「宇宙這部宏偉的著作,是用數學的語言寫成的。」
但是話說回來,反物質的例子並不能證明所有通過數學算出的東西在現實中都客觀存在,比如由黎曼幾何推導出的高維空間。當然,就目前人類的認知來說,沒有發現高維空間存在的證據,也並不能肯定地說高維空間一定就不存在,也許是人類還沒有發現它們或者人類還沒能理解它們以何種方式存在而已。如今的數學已經成為了理解宇宙的最基礎的科學,我們很難想像,如果現代生活離開了數學,會是怎樣的光景?而數學神奇的預測推理和解釋能力,到底是先於宇宙就存在的?還是宇宙出現之後才自然出現的?這似乎應歸為一個哲學問題。