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诺贝尔物理学奖实在是个数学奖

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发表于 2013-12-2 15:29:45 | 显示全部楼层 |阅读模式

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实验检验理论,这也就是我们为什么需要建造CERN的LHC这样昂贵的粒子加速器。但是事实是,像爱因斯坦或者希格斯这样的物理学家,在设备到货之前,都是用纸和笔完成自己的假说的。

今年的诺贝尔物理学奖颁发给了弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯,他们正确预言了「希格斯玻色子」的存在,50年后的今天,在大型粒子对撞机LHC的帮助下得到验证。但是,这两位是如何在没有实验条件,没有任何证据的情况下,正确预测出希格斯玻色粒子的存在的呢?答案是:数学。

就算在科学家中间,数学也被认为充当着重要的角色:它们是「作为科研工具」的数学,而不是科研本身。比如对于一个生物学家来讲,或许会在数学家的帮助下,建立一套数学模型以匹配所收集到的数据。当这已经成为一种重要的科研模式,数学,正扎扎实实地在科学研究中起着更加重要的作用:它让我们得到用其他方法无法取得的科学突破。

举个例子,阿尔伯特·爱因斯坦,在他把实验数据引入数学模型之前,他是无法意识到重力会扭曲时空的。事实上,这样的数据是不存在的。没有人能想象到一个「扭曲的时空」;所有人都觉得我们身处的时空是平坦的!(原文作者注:请注意,我不是在说地球扭曲了周遭的时空这个众所周知的事实,而是三维时空继承了四维时空的扭曲。)爱因斯坦是如何产生这个鬼念头的?他曾试图将在狭义相对论的框架内,将「加速度」和「重力」统一起来,随后爱因斯坦跟随着数学的脚步,得到了数学家 Bernhard Riemann 的帮助,Riemann 在时空扭曲理论出现之前,就已经为它的诞生打好了基础。是数学给了爱因斯坦答案。

受我们大脑能力所限,我们是无法想象一个超二维空间的扭曲时空的。和我们一样,爱因斯坦也没法凭空想象出一个扭曲的宇宙。他只能用数学来描述他的理论。随后的科学实验证实了他的理论,我们的宇宙就是扭曲的:光线并没有沿着直线传播,在靠近天体的地方,被一种看不见的力量弯曲了 —— 一个惊人的发现。

对于「希格斯玻色粒子」的成功预言,又是数学在自然科学领域漂亮的一击。在1960年代,科学家被一种只存在于数学理论上的影响基本粒子行为的引力所困扰,这种力在当时看来是说不通的:它预示着一种质量为0的粒子的存在,但从来没有人见过这种基本粒子。但是在数学公式上,它又是如此优雅地处于一个合适的位置,给予一切物质以质量。之后就是我们现在所知道的一切。

ynzq20131202-104.JPG


「希格斯玻色粒子」是「粒子物理学标准模型」上的最后一块拼图。而它的发现,标志着物理学史上一个时代的结束。大多数物理学家都认为「标准模型」并不适用于「量子物理」的世界:起码来说,它没能解释占整个宇宙80%之多的「暗物质」的线索。我们需要新的理论来超越「标准模型」,但是很可能在目前 LHC 所具备的能力范围里,不太可能再有新的粒子被发现了。我们是不是应该建造一个比LHC更加庞大的实验设施呢?那将花掉超过100亿美元的投资,和比建造LHC更长的时间,而且无法保证这样的设施会有新的物理大发现。很有可能,量子物理的新突破仍将来自于数学,就和恩格勒和希格斯,还有其他科学家所做过的,在这周值得大家庆贺的事情一样。

就像爱因斯坦的妻子 Elsa 听说威尔逊山上将建造天文台观测宇宙的时候所说的那样:「好吧,这种事情我老公在信封背面就能搞定了。」

实验,是理论的终极考试,这就是我们需要昂贵庞大的科研机器的原因。但是让人称奇的,是像爱因斯坦和希格斯这样的科学家,大部分时候是通过抽象的数学来向我们揭示关于宇宙的最深邃的秘密。

达尔文在他的自传中写道:「我真后悔没有习得足够的关于数学的重要的基础知识,对于人类来说,它使我们获得超自然的感知能力。」数学不是枯燥的,无用的公式:它是一种对于现实世界更深更高的思维境界。他赋予我们额外的感官,使得人类可以持续拓展未知的边界。
[Junius_Lou via theatlantic]
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 楼主| 发表于 2013-12-2 15:38:36 | 显示全部楼层
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结晶核 @ 2013.10.11 , 11:37 pm # 22
数,是能够无限发散、无限收敛的逻辑思维,的表现形式之一;
最常被理解的形式,是量化的意义(在有联系的层次上)。

从实用例子,容易感知它的性质
一牛 + 一马=?
      在同时兼顾所有真实形状的层次上,牛和马,不可能完美对得起头嘴,组不成同质的合并系统(数学运输逻辑判断就是:两者不可相加,本题无解。)
      在它们有相对很大联系(由某个逻辑理解角度来决定)的层次上,能以某种彼此都有的性状来作为基础,组成一个同质合并系统,如果换了逻辑理解角度,由能以另一种都有的性状来组成另一个同质合并系统,
      这就摆脱了必须完全相同才可合并的呆板思维模式之困,有很灵活的实用功能,解决很多只在部分层次上出现的问题

一牛=1个独立物,一马=1个独立物,在点算独立物合计数量的层次上,有解,1+1=2,共有2个;
      牛是有“牛”派完整性状的独立物,马的完整性状不是“牛”派,但它们都有体重、体积等等性状,在这些层次上可以合并为一个(一头牛和一匹马)系统的新性状(用数字来表示),不同于单牛独马的性状(也用数字表示),而且由牛马的各自有关性状来共同决定(几个数字居然有了一种逻辑关系,能解决体重、体积等等方面的多物问题),1吨重的牛+0.4吨重的马=1.4吨重的一个网购快递包裹实货,如果要用载重极限1吨的板车送货,可以事先只从数字角度来思考是否送得顺当,还可以不按“送货每次收10块钱”来做生意。

      安徒生也是数学大师,见《老头子总是对的》。

Coldster @ 2013.10.12 , 03:26 am # 28 表示不完全同意。尤其在教学上,用数学作为解释手段往往不能让人真正理解理论的奥义。这也是国内外教材的区别。国内教材去除数学部分就没什么了,没有复杂演算就无法解释任何了,国外教材可不是这样。包括很多通讯和期刊杂志,数学是很少的。
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Coldster @ 2013.10.12 , 03:26 am # 29 表示不完全同意。尤其在教学上,用数学作为解释手段往往不能让人真正理解理论的奥义。这也是国内外教材的区别。国内教材去除数学部分就没什么了,没有复杂演算就无法解释任何了,国外教材可不是这样。包括很多通讯和期刊杂志,数学是很少的。
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smj @ 2013.10.12 , 06:25 am # 30 @Coldster: 等级高的期刊,数学也是很多的。
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ppismypp @ 2013.10.12 , 06:26 am # 31 cern是欧洲核子研究组织,怎么变成粒子加速器了 , 第一句话应该改成“…cern的LHC这样的…”吧
郁闷之主 @ 2013.10.12 , 09:08 am # 35 我靠,你到底知不知道什么是数学……又有哪个数学家获得过物理奖了,你见过没?
oo [2] xx [0]
酱板鸭 @ 2013.10.12 , 10:38 am # 41 数学在一个学科中的应用程度标志着这个学科的成熟度、
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在尘世中创造虚无 @ 2013.10.12 , 10:59 am # 44 这是人类对宇宙探索的最后一块拼图,
如果说牛顿的经典力学占领绝对位置时出现爱因斯坦相对论打破物理学界限的话,
玻尔和海波森却在相对论称霸全球的时候提出了量子力学,
量子力学是个平坦而曲折的道路,无数伟大的思想家,数学家为其倾其所有,
然而,在量子力学被看做是世界探索宇宙的最后一根线索时
希格斯却在此时真正论证存在了上帝粒子。
质量为0的粒子,跨越物质和能量,运行在从未来倒过去,从过去到未来的的河流中
它生于虚无,跨越物质世界,再度归于虚无,等待着来生。
我真的无法用语言来描述这些英雄
他们不是为了成就功名才学数学,物理。
他们是真正为了数学和物理才去学习,钻研。
或许这就是宇宙意识形态的号召。
从此的物理学探索将进入对复世界的虚无探索。
这种对这些英雄的感动,敬佩。
没有经历过的人永远不会懂得。


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