世界上最美的12個公式:從數學基石1+1=2到開啟暗黑之門的E=mc

2021-01-07 騰訊網

數學中不是缺少美,

而是我們缺少發現美的眼睛。

在自然愛好者眼中,人間最美的是高山流水!

在人文閱讀者眼中,人類至美的是詩詞歌賦!

在愛情至上者眼中,世間最美的是化蝶共舞。

而在很多科學愛好者眼裡,人間最美的是晦澀難懂的方程,從基本的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到神秘的「德布羅意方程組」,從簡潔至極的eπi+1=0歐拉公式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。

有時候,我們會對這些方程十分厭惡,可能我們沒有意識到,我們痛恨的竟然是人類最高智慧!而原因竟然是,我們沒有發現它們的美而已。

No.1

1+1=2

獲獎者

題詞可別嫌它簡單,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。數學創生的全部基本公理都蘊含其中。要回答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+2=3」所引發的哥德巴赫猜想,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?

No.2

畢達哥拉斯定理

Pythagorean Theorem

獲獎者畢達哥拉斯和商高

題詞這個獎項的聯合獲獎人是中國周朝的商高和古希臘的畢達哥拉斯。商高只說了這一定理的表象:「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。而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。

No.3

歐拉公式

Euler's Identity

獲獎者歐拉

題詞歐拉此人,堪稱神人,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,隱藏於世界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,虛數引發了電子學革命的量子力學的理論基礎。

No.4

圓的周長公式

The Length of the Circumference of a Circle

獲獎者

題詞它為自然界最完美的形狀找到了數學表達,同時引爆了一場全人類的數字狂歡。從祖衝之到歐拉,無數的π迷們為之傾倒。從3.14到 3.1415926535 897932384...,人類執著地追求π的2061億位精度,在算力時代,這個原始的公式間接成為計算機算力的試金石。可至今,π的玄奧還未揭開。1965年,英國數學家約翰·沃利斯發現圓周率等於無窮個分數相乘的積。2015年,羅切斯特大學的科學家們在氫原子能級的量子力學計算中發現了與圓周率相同的公式。

No.5

牛頓第二定律

Newton's Second Law of Motion

獲獎者牛頓

題詞這個公式重要到難以估量,它昭示著人類最偉大的科學家、最後的鍊金師牛頓,用F、M、A三個字母構造的經典物理學大廈拔地而起。儘管牛頓看誰撕誰,牛逼哄哄且不近人情。但我們這等凡人只能跪在他腳邊,乖乖接受他的俯視。1666年,以牛頓第二定律為首的一系列成果,劃開了人類與自然關係的新紀元,自然被他轉化成一個用數學來測算的精密系統。某種程度上,即使相對論都無法與之媲美,從火車進站到火箭升空,牛頓第二定理公式在應用層面至今仍是霸主。

No.6

質能方程

Mass–energy Equivalence

獲獎者愛因斯坦

題詞1905年,史上最牛逼的公務員愛因斯坦,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:「當結論看起來很簡單時,一定是上帝在回答。」此番言論無疑打了無神論者愛因斯坦的臉。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!

No.7

麥克斯韋方程組

The Maxwell's Equations

獲獎者麥克斯韋

題詞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,並為之虎軀一震,認為只有上帝才能創造如此完美的公式,那更恭喜你,你離一流科學家不遠了。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。在整體微分幾何建立之後,用外微分形式,可以將麥克斯韋方程組用一個極其簡單的方程來表示。所以,回答麥克斯韋方程組到底有幾個公式,已經成了考驗一個真正的物理學者的神器。

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。所以,這個方程組是人類歷史上空前絕後的物理學大一統。它也是物理學家們的一劑雞血,以愛因斯坦為首的眾多一流物理學家,都緊跟麥克斯韋的腳步,尋找物理學大統一。愛因斯坦在奇蹟之年之後孜孜不倦幾十年,想建立引力場理論,以失敗告終。號稱勾通量子力學與宏觀世界,並建立物理大一統的M理論,至今問題重重。

No.8

薛丁格方程

The Schr dinger Equation

獲獎者薛丁格

題詞關於薛丁格,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。

No.9

德布羅意方程組

The de Broglie Relations

獲獎者德布羅意

題詞你可能不了解德布羅意,但你一定還記得高中物理中有個東西叫「波粒二象性」。沒錯,波粒二象性就是這位眼神憂鬱的小哥提出的。如果說愛因斯坦的質能方程確定了質量與能量的關係,那德布羅意方程就揭示了波長、能量等之間的關係,並畫上了一個完美的等號。

不像愛因斯坦有如此多的風流韻事,德布羅意打了一輩子光棍,並終身過著平俗簡樸的生活,他也是量子學派主編「德不羅意」的人生偶像——與世無爭,寫個方程式就能追求世界和平。他的德布羅意方程一出現,讓爭論不休的量子理論各大佬握手言歡,成為現代量子力學的基石之一。

No.10

傅立葉變換

The Fourier Transform

獲獎者傅立葉

題詞這個方程,估計很多人都愛不起。它不僅折磨著眾多高數困難戶,甚至在凌虐丘成桐、陳省身這樣的數學大師,一眼看過去,這公式就是個空虛寂寞冷的無聊數學家,整天沒事幹,盡想著虐待智商低的科學怪人,數學系大學生現在最恨的人就包括傅立葉,但傅立葉表示,自己很冤。因為,他之所以搞出這個傅立葉變換,主要是想讓大家更容易社交和找女朋友,這個公式是數位訊號處理領地最重要的基礎。今天,我們能夠遨遊網際網路,全都得感謝傅立葉在兩百年前的功勞。

No.11

香農定律

獲獎者香農

題詞進入資訊時代,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《楚喬傳》,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。

No.12

狄拉克方程

獲獎者狄拉克

題詞狄拉克方程的出現,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,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。

結語

發現人文與數學之美

我們可以改編大師羅丹的話:數學中不是缺少美,而是我們缺少發現美的眼睛。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圓,「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!

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