數學可以描述宇宙,那麼宇宙是按照數學而「構建」的嗎?

2020-12-02 天文同好樂園

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。

相關焦點

  • 宇宙是由數學統治的嗎
    (意識)本身也可能由數學「組成」(神秘的地球)據騰訊科學(羅輯/編譯):長期以來,科學家一直使用數學來研究宇宙的基本物理性質,從某種程度上而言,宇宙本身就是數學,宇宙學家馬克斯·塔馬克認為宇宙中的一切事物,當然也包括人類在內都是一種數學結構,所有的物質都是由粒子組成,而粒子就具有一些普遍性的性質,比如自旋等,其中就涉及到一些單純的數學問題,然而宇宙空間本身就是多維的,其仍然還是數學問題
  • 存在有不同自然科學定律的宇宙?物理可以?數學不行?
    以π值為例,它不是任何宇宙的物理性質,而是一個從最基礎的概念開始的,基本的、嚴謹的結論,比如,集合論的基本公理。同時,不同的起點不會導致不同的數學。我們至少已經知道,自哥德爾起,所有的自洽公理系統都是基本等效的:因此,不論你是從集合論開始,幾何學開始,數論開始,或者是其它任何能充分有力地構建一個完整的數學體系的數學方法開始,你最終都能得到完全相同的π值。
  • 既然數學不完備,為什麼基於數學的物理學能描述宇宙?
    數學是一門十分抽象的學科,數學家通過邏輯推理構建出嚴謹的數學定理。隨著數學的發展,數學被廣泛應用於科學領域,尤其是物理學。正如著名數學家高斯所言:數學是科學的皇后。
  • 宇宙是什麼構成的?科學家說是數學
    Tegmark在1月15日在這間Bell大廈的一場演說中表示「如果你接受這個想法,認為不論是太空本身或者所有在太空中的東西,除了數學性質以外,都沒有其它性質可言」,這時一切都是數學這個想法,「開始聽起來有點沒那麼瘋狂」。
  • 應用數學的哲學 | 全部物理宇宙全部能由數學理解
    我曾告訴一個友人,我用數學嘗試去了解偏頭痛。她以為我請偏頭痛患者做心算,以減輕他們的症狀。這當然不是,我真正做的是運用數學理解偏頭痛的生物學原因。生活中我們往往忽略的一個重要事實是:數學可以理解世界。你可能會提醒我:這一事實並不明顯。在這篇文章中,我要討論一個大問題:「為什麼數學可以用來描述世界」,或更挑釁般地延伸為「為什麼應用數學如此強大?」
  • 不,宇宙本質上不是純數學的
    存在許多這樣的數學構造需要探索,但是如果沒有物理宇宙可以與之進行比較,我們就不可能學到關於宇宙的任何有意義的東西。 (WIKIMEDIA告知用戶ROGILBERT)數學是我們了解宇宙最有用的工具。 但這並不能單獨解決任何問題。
  • 宇宙法則——自然律、數學和理念世界
    若是後者,那麼它們是否取決於我們認知世界的方式和成見?佛教的相依觀是否可以破迷顯正?  鄭:意識流可以存在於軀體之外的觀念,引出物質世界之外存在何種實相的有趣範疇。西方科學建立在自然律支配宇宙的信念上,大多數科學家都把這些法則視為抽象原則,雖然形塑我們這個世界,但不是由我們的心所創造,而是我們的「發現」。
  • 老子《道德經》中的宇宙生成論,暗含了構建多維空間的秘密?
    對宇宙未知的探索,估計從地球上第一個現代智人誕生就開始了,雖然無從考證,但人類有著天生的和本能的好奇心。日出日落鬥轉星移,隨著時光的流逝,人類對宇宙的了解總是一天比一天更多。兩千多年前的中國春秋時代,一位思想家和哲學家——老子,寫出了一部《道德經》,在這本書的第四十二章,老子寫下了「道生一,一生二,二生三,三生萬物」,可以說,這是中國古人最富含哲理的宇宙生成論。老子所說的一、二、三,是指「道」從少到多、從簡單到複雜創造宇宙萬物的過程。從表面上看,老子這句話的哲學性要勝過科學性,所以也幾乎沒有科學家會用心去解讀中國古人的這句話。
  • 優雅的數學描述強相互作用力
    弦為強相互作用力提供了一種優雅的數學描述(強相互作用力是宇宙中的四種基本力之一,原子核正是依靠這種力結合在一起的。)在很長一段時間裡,這個話題都處於學界邊緣位置,一直到1984年的「弦理論革命」為止。就在那一年,理論學家麥可•格林(Michael Green)和約翰•施瓦茨(John Schwarz)提出的等式顯示,如將粒子描述為「弦」,便可避免將粒子描述為點狀物質的各類模型存在的特定矛盾。但在該理論萌芽之後,研究人員相繼提出了五種不同的、解釋一維的弦如何在10維宇宙中振動的模型。1995年,科學界迎來了第二次弦理論革命。
  • 還是構建數學的基石?
    還是構建數學的基石?(挑戰:你能證明為什麼這個公式總是有效嗎?這裡有一個提示:取兩個三角形,構建一個 N+1 行、N 列的矩形。)但是當你看質數的序列時,會發現它們似乎與國家彩票的數字有更多的共同點。我們似乎很難預測下一個質數何時出現,更不用說去生成一個公式,並告訴你第 100 個素數是 541 。儘管質數具有隨機性,但它們也具有普遍性。
  • 幻想系列:宇宙大爆炸——多重宇宙,是邏輯推理,還是數學幻想
    一個大爆炸,形成了我們當前的宇宙。這個大爆炸,只是一個相對被認可的假設,不是宇宙形成的結論。就以此假設來講:宇宙自身好孤單,就像我們人類一樣的孤單。當前,我們不是一樣沒有尋找到外星人,都在好奇地尋找,或許是我們科技水平還太低了吧!當然更沒能力尋找其他的宇宙。所有我們人類與宇宙都是孤零零的!
  • 宇宙最美的語言——改變人類歷史的17大數學方程
    數學能以最簡潔的方式,把複雜的宇宙現象和規律淋漓盡致的展現出來,堪稱宇宙中最美的語言!該公式最直觀的意義就是描述了一個基本的數學規律,更重要的是其引入了一門新的幾何學——撲拓學,並成為對現代物理學意義重大的一個數學分支。
  • 從《棋魂》看自然宇宙與數學宇宙
    「圍棋只有兩種最基本的規則,」沈一朗抬頭看了看星空,接著說道:「它所衍生出的數學變化卻比宇宙中的原子總數還要多呢。」    作為一名圍棋「愛好者」,我的棋力很低,遠不及《棋魂》裡為冠軍而生的爺爺,目前暫時勉強給女兒噹噹陪練。    沈一朗的這個「冷知識」很打動我:小時候,我們都曾對星空著迷。但實際上自然宇宙也是有限的,其實它比我們想像的要小得多。
  • 數學符號:宇宙的語言
    中國古代就一直用文字描述各種規律,比如「求邪至日者,以日下為勾,日高為股,勾股各自乘,並而開方除之,得邪至日」,再比如「圓周盈數三丈一尺四寸一分五釐九毫二秒七忽,朒數三丈一尺四寸一分五釐九毫二秒六忽,正數在盈朒二限之間」,用現代數學語言表達就是「」和「」,兩種表達方式高低立判。
  • 科學家發現π行星,數學與天文學的「宇宙巧合」
    宇宙之中充滿奇蹟,而科學家發現的π行星,讓天文學和數學出現了奇蹟般的宇宙巧合。π行星作為一個外星世界,每隔3.14個地球日繞恆星一周,這個數值和我們計算出來的圓周率非常接近,因此被稱之為「π行星」。π行星適合生存嗎?
  • 我為什麼熱愛數學?論宇宙的永恆
    數學人的固執與浪漫總的來說,數學是超時空的一種存在,是超越宇宙的真理。宇宙從何而來?首先,根據目前的主流理論——宇宙大爆炸理論的觀點,宇宙有始無終。你可以這樣理解,一切都是虛無,沒有時間,沒有空間,黑漆漆一團混沌,但是突然出現一個泡泡,它迅速膨大(當然,這裡的「迅速」只是針對人類的理解,因為宇宙之外,時間不存在,也沒有「迅速」這一說),這個泡泡之內,就是我們的宇宙。
  • 科學的盡頭是數學,數學的盡頭是象學,象學的盡頭是易學
    我們姑且把大爆炸這個科學假設認為是真的,把它當做人類之前各種宇宙起源學說,在描述和修辭上升級與改進後最優秀的模型,那麼依然還存在一些最基本的問題要回答。 首先,奇點從何而來?在奇點之前是什麼?其次,假設真的存在奇點,那麼奇點為什麼一定要爆炸?它不爆炸難道會死嗎?也就是說,從邏輯上看,奇點也可以不爆炸。讓奇點不得不爆炸的必然原因到底是什麼?
  • 如何傾聽宇宙的聲音?現代數學幫助揭示其最深處的秘密
    當時,大多數人的看法是:物理學家應該通過在現實世界中所做的觀測和實驗得到的結果,驗證他們關於宇宙的理論。這樣一來,理論學家就可以避免自欺欺人地誇大自己對自然的認識。愛因斯坦當然知道自己在幹什麼。 在他看來, 「物理學家的最終任務」就是理解潛藏在整個宇宙運作機制之下的內在秩序—從原子內部微粒的急速振動到外太空星系的劇烈活動。愛因斯坦認為,在如此多樣、複雜的宇宙之下潛藏著一種相對簡單的秩序,這個事實本身就是「一個奇蹟,或者一個永恆的謎團」。數學為表達這種潛藏的秩序提供了一個十分精確的方式。物理學家和他們的前輩已經掌握了從數學語言出發發現普適定律的能力。
  • 用數學和邏輯學構建人工智慧基礎
    用數學和邏輯學構建人工智慧基礎 DeepTech深科技 發表於 2021-01-06 15:02:51 12 月 10 日 - 11 日,由浙江省委人才辦、紹興市委市政府、《麻省理工科技評論》主辦的全球青年科技領袖峰會暨
  • 人類在高等文明面前,唯一能拿出手的數學公式,被稱為宇宙的真理
    數學歷來是大家最為重視的一個門科,有人將它譽為開啟宇宙的文明的鑰匙,這個說法一點也不誇張,從古至今,人類的文明從來都是與數學息息相關。甚至一個種族文明的排序,就取決於數學程序的高低。,透過它可以提示宇宙中的任何一個事物,都是離開最基礎的數學邏輯,而人類只要掌握了這些邏輯,便能清楚地了解宇宙運轉的相關知識。