物理學家與數學家的思維異同

2020-12-05 中國科大新聞網

常常有理論物理研究生來問我,他們的數學基礎不夠,是否要遍學各門數學後,再來研究物理理論.

對此我的回答是: 物理家與數學家的研究對象不同,前者研究現實世界的規律,「格物致知」;後者研究數與形。 物理學提出的問題時不時地推動了數學的進展,數學也終於成了物理學家的思想工具,但是物理問題不能仰仗數學家來救世,因為物理學家的思維模式與數學家不同。

但他們有共同處:頓悟與直覺;欣賞數學美; 關心數學公式的普適性。所以理論物理家既要向數學家學習知識和方法,也要注意不同處:物理書(非實驗的)充滿數學公式,但是思想和理念不是數學公式,需要對其物理解釋。從數學公式把物握物理是理論物理家的天職。

理論物理的結果急需實驗檢驗。愛因斯坦的廣義相對論充滿數學公式,其有效與否由愛丁吞的天文觀察決定。而當初數學家引入虛數,不必關心其「客觀實在」,是理論物理家和工程師給它找到了應用: 對於量子力學相位,理論物理家更強調物理意義與應用。對於矩陣也是如此。

理論物理家自己根據直觀需要創造新數學。如狄拉克創造奇異廣義函數,費因曼創造路徑積分,我的創造對由迪拉克符號組成的算符的積分。不受數學家的思維模式的束縛。

理論物理家自己的思維模式和方法,與數學家不全相同。 例如:匈牙利數學家Rosza Peter給出一個事例:

有人提出了這樣一個問題:「假設在你面前有煤氣灶、水龍頭、水壺和火柴,你想燒開水,應當怎樣去做?」對此,某人回答說:「在壺中灌上水,點燃煤氣,再把壺放到煤氣灶上。」提問者肯定了這一回答。但是,他又追問道:「如果其他條件都沒變化,只是水壺中已經有了足夠多的水,那麼你又怎樣去做?」這時被提問者往往很有信心地回答:「點燃煤氣,再把壺放在煤氣灶上。」但是,這一回答卻未能使提問者感到滿意,因為,在後者看來,更為恰當的回答:「是只有物理學家才會這樣做;而數學家則會倒去壺中的水,並聲稱他已經把後一問題化歸成先前的已經得到解決的問題了。」可見數學家習慣於回歸思維,而理論物理家更傾向於直截了當。

數學家不過分強調問題的特殊方面,諸如特定的物理意義、特定的數值等,而儘可能從更為一般的角度去進行研究。而物理學家恰恰相反,他更注重物理模型和具體的物理現象。

從19世紀中期開始,數學不再被認為是對於依附於真實事物或現象的數學模型的研究,而是以相對獨立的數學模式作為直接的研究對象,從而也就達到了更高的抽象程度,而物理學家注重對真實事物的研究。

物理系學生在大學階段學的數學家的數學語言會無形中遏止理論物理學家的「浪漫」想像。

所以我不主張理論物理研究生遍學各門數學,等到各門數學皆涉足後,再來研究物理。

 

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