数学是现代科学不可或缺的一部分,所以数学之美在科学中随处可见美感与文化有关,人对美的欣赏与个人的文化水平有关
科学也是一种文化,科学之美也与一个人的受教育程度和科学素养有关即使你是理工科专业,也不是每个人都能领略到科学理论中的数学之美物理学家常说,麦克斯韦方程组和相对论的两个理论都体现了数学之美而没有一定数学素养的人,看到的只是一大堆复杂枯燥的数学公式美在哪里
阿蒂亚选择提供60个涵盖多个领域的数学公式,让16名数学家参加测试他们对这些公式中的每一个进行从丑到美的评分,同时对大脑进行扫描,测量数学美产生时大脑中情绪活动的区域和程度他们在论文中解释了实验分析的结果,结果表明数学或抽象公式不仅激发了美感,使人精神上兴奋,而且在大脑中与艺术美感共享同一情感区
有趣的是,这些数学专业人士在提供给他们的60个公式中,选出了一个最丑和一个最美的数学表达式他们是下面两个
最丑的公式:
最美的配方:
最丑的没什么好评论的是一个看起来很复杂很费解的表达式,用无穷级数计算1/π况且这只是从60个公式中选出来的
最美的公式叫欧拉恒等式,当然也只是从60个公式中脱颖而出可是,欧拉的身份一直受到科学家们的好评例如,美国物理学家理查德·费曼曾称这个恒等式为数学中最奇妙的公式
奇迹在哪里因为它把自然界中五个最基本最重要的数学常数E,I,π,1,0整合成一个整体e是自然对数的底数,I是虚数的单位,π是π,剩下的1和0在数学上不言而喻奇怪的是,为什么这五个常数如此简洁地联系在一起还包括π=3.141 592 653…,e=2.718 281 828…等奇怪的超越数
这个身份首次出现在瑞士数学家莱昂哈德·欧拉于1748年在洛桑出版的书中。是以下欧拉公式复分析x=π时的特例:
但是,不懂数学的人是欣赏不了欧拉恒等式和欧拉公式的妙处的如果不知道E,I,π符号,复数,幂,无理数,三角函数所表达的意义及其几何意义,就无法理解这两个公式所体现的美
并且,你越了解这些概念在数学,量子力学和工程学中的威力和关系,你就越会赞叹这个简洁公式的惊人之美!
从上述最美和最丑公式的结果中也可以发现,大部分数学家都把简单作为数学美的重要属性简洁也是科学理论的重要属性科学需要凝练和浓缩,这就是简洁之美,比如上面的欧拉恒等式
把复杂的事情简单化,是一种技巧,也是一种智慧简单不代表简单,智慧是愚蠢的,道路是简单的,简单是用来消除复杂的,以少胜多郑板桥是我国清代著名的书画家,他以删繁就简三秋树来表现自己的书法和文学思想,主张用最简洁明了的笔墨和超凡脱俗的思想来表现最丰富的内容本质上和西方逻辑中常说的奥卡姆剃刀原理——如非必要,不要添加实体是一个意思,属于简洁之美
科学的目的是找到对自然现象最简单,最美好的描述删除所有不必要的实体,留下最少的多样性中的简单意味着事物之间的和谐
科学研究中的奥卡姆剃刀原理是指:当你面对两种导致相同结论的理论时,选择最简单的,实质最少的一种!
比如物理学家研究统一理论,基本物理定律,各种粒子,相互作用力都是实体那么,统一理论追求的是一种简洁之美
基于分形和混沌理论,通过自相似用几个简单的方程来描述自然界和科学理论中看似复杂的现象,这也是追求简单美的一个例子。
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦综合了电磁学中的高斯定律,高斯磁定律,法拉第感应定律,麦克斯韦—安培定律等等,建立了麦克斯韦方程组,描述了电和磁的性质,成功地得出了光也是电磁波的结论。
我们现在看到的麦克斯韦方程组,是由四个简单而美好的方程组成的可是,在麦克斯韦因胃癌去世的那一年,麦克斯韦方程组还没有现在的简明形式当时,方程组包含20个方程这个看起来并不漂亮,暂时也没有实验证据的集成让人们反对麦克斯韦的观点,排斥他的理论
今天,麦克斯韦方程组的简单和美丽要归功于一位自学成才的英国人奥利弗·赫维西。
他出身贫寒,小时候得过猩红热,耳朵有点聋就是这样一个没有接受过正规高等教育,风格颇为怪异的传奇人物他自学了当时世界上最高最深的理论——微积分和电磁学赫维西擅长直观讨论和数学演算,在数学和工程方面取得了许多原创性的成果但也许是因为他自学的背景,不太注重严格的数学论证,所以他的算子微积分一开始就遭到数学家的反对
赫维西没有在意别人的反对,独自创立了向量微积分,也就是今天物理学中常用的向量分析方法利用新发明的向量微积分符号,1885年,也就是麦克斯韦去世6年后,赫维西将麦克斯韦方程组改写成了今天四个著名方程的简洁对称形式
1891年,赫维西成为皇家学会的成员1905年,德国哥廷根大学授予休伊斯荣誉博士学位,这是学术界对这位自学成才的学者的认可和奖励
书籍介绍
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