世界上最美的23個公式:從數學基石1+1=2到開啟暗黑之門的E = mc²

2021-01-20 賽先生

數學中不是缺少美,而是缺少發現美的眼睛。


即使數學不好的,也能發現《公式之美》


在自然愛好者眼中,人間最美是高山流水!在人文閱讀者眼中,人類至美是詩詞歌賦!在愛情至上者眼中,世間最美是化蝶共舞。從數學基石1+1=2到揭示電磁現象的「麥克斯韋方程」,從開啟暗黑之門的E = mc²到神秘莫測的「薛丁格方程」,從簡潔至極的e^πi+1=0到讓相對論量子理論牽手的「狄拉克方程」……這些公式如此美麗而精妙,是地球上偉大智者一生的凝練。很多時候,我們被刷題給刷到麻木了,沒有意識到它的美!可別嫌它簡單,這個三歲小孩都知道的公式是人類的奇點,它昭示著自然數的誕生,引發持續數千年的數字大爆炸,數學創生的基本公理蘊含其中。
要捋清這個公式的邏輯可不簡單,為什麼1+1=2而不是等於3?是誰規定了運算法則?奇數加奇數為什麼等於偶數?數字2為何是唯一為偶數的質數?他的衍生品「1+1」所引發的哥德巴赫猜想(大偶數為兩質數和),困擾人類數百年,將很多高智商群體搞出神經病。而它究竟從何而來,又將引領人類向何而去?人生識字憂患始,人類的所有煩惱,也是不是因為知道了1+1=2呢?

 畢達哥拉斯定理 

Pythagorean theorem

這個公式的聯合發現人是中國的商高和古希臘的畢達哥拉斯。商高說出了這一定理的表象:「勾三股四弦五」,卻沒有去深究這背後的奧秘,作為商高的子孫我們得反思一下自己,本來可以拿到這個公式的定義權的。


畢達哥拉斯則得出背後的規律,這位數字原教旨主義者、高舉「萬物皆數」的暴君,愛上數學真不是故弄玄虛,畢達哥拉斯定理是人類歷史上第一次讓數字與幾何完美融合。牽一髮而動全身,畢達哥拉斯定理在溝通數字與客觀世界的同時,還導致了人類歷史上第一次數學大危機——√2無理數的發現。

歐拉28歲右眼失明,年過60完全失明,多舛多才,憑數學、力學和航海建築學等方面的廣博造詣,被評為歐洲歷史上最多產的數學家,十八世紀被稱為歐拉世紀也毫不過分。


歐拉內心純粹,正如這個歐拉公式,也是用最簡明的方式,溝通了世界上幾乎全部的數學元素。無理數e,它是自然對數的底,隱藏於飛船的速度和蝸牛的螺線。


無理數π,隱藏於世上最完美的平面對稱圖形,引爆數字狂熱。最簡單的兩個實數0和1,是構造代數的基礎。


甚至,最重要的虛單位i也在其中。在歐拉之後的未來,虛數奠定了電子學革命的量子力學理論基礎


 萬有引力 

Law of universal gravitation

在牛頓之前,人類認為這一切都掌控在神的手中;而牛頓之後,人類才知道,天和地以萬有引力為法則,在牛頓發現的定律中運轉。宇宙和萬物找到了統一規律,物理學達到第一次真正的統一。所以有人說:道法自然,久藏玄冥;天降牛頓,萬物生明。而後,以牛頓為代表的機械論之自然觀,在整個自然科學領域中佔據長達200多年的統治地位,現代科學由此形成。


「數學界無冕之王」希爾伯特表示,如果在死後500年能重返人間,他最想問:

是否已經有人解決了黎曼猜想?過直線外一點,可作其幾條平行線?

黎曼並沒有意識到自己對這個世界的影響會如此深遠,臨走之前非常平靜,沒有掙扎也沒有臨終痙攣,仿佛饒有興趣地觀看靈魂與肉體的分離。

他妻子給他拿來麵包和酒,他要她把他的問候帶給家裡人,並對她說:「親親我們的孩子」。她為他誦讀了主禱文,他的眼睛虔誠地向上仰望,幾次喘息以後,他純潔而高尚的心臟停止了跳動。

他長眠在塞拉斯加教區比甘佐羅教堂的院子裡,墓碑上的碑文是:萬事都互相效力,叫愛神的人得益處。

 質能方程 

Mass–energy Equivalence

1905年,史上最業餘的公務員愛因斯坦,提出了若干顛覆人類三觀的理論,想像力和膽量都比正常人高出一大截的愛因斯坦宣稱,能量和質量是可以轉換的,一個小小的水杯都能炸掉半個城市,不僅如此,能量和質量之間的關係還超級簡單


愛因斯坦曾戲稱:

但換句話說,如果這個方程來自上帝,那原子彈一定是上帝對人類開的玩笑。但這個方程的出現,也打開了潘多拉魔盒,全人類都在這個公式下已經顫抖了60年!

 麥克斯韋方程組 

Maxwell's Equations

如果你能看懂這組方程,那麼恭喜你,高數基本不會掛掉了。


如果你能看懂這組方程虎軀一震,認為只有上帝才能創造如此完美公式,那更恭喜你,你擁有強大的數學審美


因為,全世界至少有100個物理學家跪倒在它的石榴裙下。簡單地說,這是一組描述電場、磁場與電荷密度、電流密度之間關係的偏微分方程,由兩個散度方程、兩個旋度方程組成,相互之間耦合,變化萬千。


麥克斯韋的公式融合了電與磁的四大定律,在此之後,電即是磁,磁即是電。


這個方程組是人類歷史上空前絕後的物理學大一統,給物理學家打了一劑雞血,以愛因斯坦為首的眾多科學家,都緊跟麥克斯韋的腳步,尋找物理學大一統

 薛丁格方程 

Schrödinger equation

關於薛丁格,恐怕他的那隻貓比他本人更加出名,因為薛丁格的貓雖然成功在宏觀層面闡釋了量子疊加原理問題,但卻像一個潘多拉魔盒,引出了平行宇宙等一系列爭議,搞得很多科學家都懷疑人生


最後連薛丁格都搞不懂薛丁格方程了,它相當於量子力學界的牛頓第二定律,只不過,公式的主人一個是史上最傲驕的處子,一個是荷爾蒙泛濫成災的把妹大神。


回歸正題,薛丁格方程顛覆了人類所認知下,這個確鑿無疑的世界。


薛丁格說,世界是隨機的,這一結論直接挑戰了愛因斯坦建立的確定宇宙觀,薛丁格方程為好萊塢大片提供了理論基礎,騙取了無數票房。迄今為止,量子力學與相對論是關於宇宙彼此不同,又平分秋色的解釋。


進入資訊時代,你們除了要感謝數學家傅立葉,還要好好感謝信息領域的牛頓——香農,他是當之無愧的資訊理論師祖。那些玩著「王者毒藥」,看著《花木蘭》,拿著衛星電話旅遊,電話裡與女友你儂我儂的朋友記住了,香農是我們的大恩人。


如果說傅立葉啟發人們如何傳輸信號,那麼香農的功勞相當於搭建了信息世界的交通網絡。香農定律則嚴格證明,在被高斯白噪聲幹擾的信道中,計算最大信息傳送速率C是什麼。喝水不忘掘井人,別只記得賈伯斯,還有背後的大神香農。


狄拉克方程的出現,讓整個物理學界長長舒了一口氣,大家終於可以友好地做朋友。差點成功策反愛因斯坦投奔量子理論,他順理成章地成了物理學界的和平使者,大神玻爾和愛因斯坦也找到理由一起握手言歡,這個方程匯集了現代物理學的兩大基石:量子力學和相對論——描述微觀世界的量子力學和描述高速運動物體特性的狹義相對論。


也許最重要的是,狄拉克方程預言了反物質(所有已知粒子的鏡像)存在。2017年7月21日,4位華人科學家宣布找到正反同體的「天使粒子」,都不過是在驗證1928年偉大的理論物理學家狄拉克(Dirac)作出驚人的預言:宇宙中每一個基本費米粒子必然有相對應的反粒子。

 三體問題 

The Three-body Problem

三體問題像個暴躁的國王,它喜怒無常的出行路線永遠讓人捉摸不定。當理論物理學家普遍開始絕望時,現實中的拉格朗日點已有所應用。


一切都是未知。摧毀三體的光粒文明,之所以能擊中三體的一顆恆星,是因為他們解析出了三體運動,才能精確擊中嗎?這一切,並非僅僅是科幻,更要作出科學的理性思考。

 楊-米爾斯場論問題 

Yang-Mills Theory

2012年希格斯粒子發現後,「規範場論」最後一個缺陷被彌補,它統一了目前自然界的四種基本力中的三種,愛因斯坦窮盡後半生追求的「大統一理論」——「規範場論」正在步步逼近。但物理學的終極奧義會走向哪裡呢?人類最偉大的科學家,紛紛踏上了那個用生命交換真理的祭壇。這一小撮人一邊追尋著夢寐以求的答案,一邊走向最後的滅亡。或許,這條路的終點,就是為了探尋宇宙的終極之美,很有可能為之付出了一切,也終究無法到達。

改編大師羅丹的話:數學中不是缺少美,而是缺少發現美的眼睛。


我們以一首人文詩詞來解釋數學的美——大漠孤煙直,長河落日圓

這首詩描繪了雄闊、壯美的大漠圖景。從幾何學的角度上看,「大漠」可視為一個平面,而直上「孤煙」是垂直於地面的直線(圖1)。第二句是是將橫臥的長河視為一條直線,逐漸下沉的落日被視為一個,「長河落日圓」便是一個圓切於一條直線(如圖2),兩圖對照,涇渭分明,簡潔明了,剛柔相濟。任何自然的景致都會在歷史波濤中湮沒,江渚上的白髮漁樵都會成過眼煙雲,只有抽象出來的美感才會永垂不朽!「大漠孤煙直,長河落日圓」正是幾何學的高度凝練,人文與數學的美在這裡相聚,才擁有了震撼千古的藝術魅力小編有話說: 本文標題明明寫了23個公式,但文字部分只介紹了12個,並非小編數學不好,作者言下之意就是:剩下的11個公式,還是買本書來慢慢欣賞吧。

製版編輯 | Morgan

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