展示数学美丽和力量的11个方程式,你最喜欢哪一个?( 二 )


斯特罗加茨(Strogatz)说:“我喜欢它的原因是它如此地简单——每个人都理解它说的话——但它是多么的挑衅 。很多人不相信这是真的 。它也非常平衡 。左边代表数学的开始,右边代表无穷大的奥秘 。”
狭义相对论

展示数学美丽和力量的11个方程式,你最喜欢哪一个?

文章插图


爱因斯坦再次用狭义相对论列出了这个公式,它描述了时间和空间不是绝对概念,而是相对的,取决于观察者的速度 。上面的公式显示了一个人在任何方向上移动的越快,他的时间便膨胀或减慢 。
“关键是它非常简单,”日内瓦CERN实验室的粒子物理学家比尔·默里(Bill Murray)说“没有什么是一个优等生不能解决的,何况这个式子没有复杂的导数和矩阵的迹 。但它所体现的是一种全新的看待世界的方式,一种对现实的整体态度,以及我们与现实的关系 。突然间,僵硬不变的宇宙被冲走,取而代之的是一个由你的视角决定的个人世界 。就像你在宇宙之外,看到宇宙内部组成的一部分 。而任何想要了解这个宇宙的人都能通过这些概念与公式得以瞥见 。”
默里说,他更喜欢狭义相对论方程,而不是爱因斯坦后期理论中更复杂的公式 。”我可能永远也学不会广义相对论的数学 。”他说 。
欧拉方程

展示数学美丽和力量的11个方程式,你最喜欢哪一个?

文章插图


这个简单的公式包含了一些关于球体性质的内容:
马萨诸塞州威廉斯学院的数学家科林·亚当斯(Colin Adams)说:“如果你把一个球体的表面经切割得到面、边和顶点,并令F为面数,E为边数,V为顶点数,那么你总是得到V–E+F=2 。”
亚当斯解释说:“以四面体为例,四面体由四个三角形、六个边和四个顶点组成 。”r如果你用力地给这个四面体内部吹气,这个四面体就会膨胀成一个球体,从这个意义上说,一个球体可以被切割成四个面,六个边和四个顶点 。我们看到V–E+F=2 。同样的道理也适用于有五个面的金字塔,它有四个三角形、一个正方形、八条边和五个顶点 。”其他几何体也一样 。
“这是一件非常酷的事情!顶点、边和面的关系可能揭示着球体的一些基本性质”亚当斯说 。
欧拉-拉格朗日方程和诺瑟定理

展示数学美丽和力量的11个方程式,你最喜欢哪一个?

文章插图


纽约大学的克兰默(Cranmer)说:“这些在物理学的重要革命中(比如量子力学和相对论)流传下来的对物理学的思考方式非常有意思,这些思考方式虽然很抽象,但却非常强大 。”
这里,L代表拉格朗日量,拉格朗日量是物理系统中能量的度量,这些物理系统包括弹簧、杠杆或基本粒子等 。”解这个方程可以得出系统将如何随时间的变化而变化,”克兰默说 。
20世纪德国数学家艾美·诺瑟(Emmy Noether)由拉格朗日方程发展出了诺瑟定理 。克兰默说:“这个定理实际上是物理学和对称性作用的基础 。”通俗来讲,这个定理是,如果一个系统是对称的,那么就有一个对应的守恒定律 。例如,今天物理学的基本定律与明天的相同(时间对称性)的观点意味着能量是守恒的 。物理学定律在这里和在外层空间中一样的观点意味着动量是守恒的 。对称性可能是基础物理中的驱动概念,这主要是由于诺瑟的贡献 。”
凯伦-赛曼兹克方程

展示数学美丽和力量的11个方程式,你最喜欢哪一个?

文章插图


罗格斯大学的理论物理学家马特·斯特拉斯勒(Matt Strassler)说:“凯伦-西蒙兹克方程是1970年出现的一个至关重要的第一原理方程,它强调了量子世界中那些天真的观点是如何错误的 。”
这个方程有许多应用,包括使物理学家对组成原子核的质子和中子的质量和大小进行估计 。
基础物理学告诉我们,两个物体之间的重力和电力,与它们之间距离的平方成反比 。简单来讲,同样的道理也适用于强大的核力,核力把质子和中子结合在一起形成原子核,把夸克结合在一起形成质子和中子 。然而,微小的量子涨落可以稍微改变一个力对距离的依赖性,这对强大的核力有着巨大的影响 。
斯特拉斯勒说:“它阻碍了这种力量在远距离上的减少,使它捕获夸克,并将它们结合起来形成质子和中子 。”凯伦-西蒙兹克方程所做的是将这种戏剧性的、难以计算的效应联系起来,这在‘距离’大致等于质子大小时很重要,在‘距离’远小于质子时,可以测量的效应更微妙但有也更容易计算 。”