《机遇与混沌》读书随笔4——自娱自乐的数学和描述世界的物理

书的第一节讲的是关于机遇的一些概述性的东西,关于机遇的研究带来的不错的引人注目的成果——概率论,统计力学,信息论。接下来书后面将要涉及到大量的数学和物理领域的东西,因此作者觉得有必要先认识一下,数学和物理,物理学家和数学家的区别, 这样之后能更加愉悦的探讨一些内容。

以我的惯有经验来看,一般写这种关于科学的特征描述的文章,作者极其热衷于举例子,举出一些反常滑稽的例子,让我们看到物理学家和数学家居然都这么有毛病。比如我这几天读的一本微积分教学指导《How to ace calculus: the streetwise guide-微积分之屠龙宝刀》里面就说了一位在学生葬礼上探讨论文内容的数学家,一位不记得家在哪也不认识自己女儿的科学家(见图)。。。


图片扫描自《How to ace calculus: the streetwise guide-微积分之屠龙宝刀》

而这次的作者明显画风清奇,放着一大堆有趣的逸闻趣事不讲,而是一本正经的扯理论。虽然没有(太多)故事可读,但是还是不少有意思的东西。

总结来说,数学和物理最大的区别就在于,数学追求的是一个逻辑自洽的体系,而物理追求的是描述这个世界。

数学更像是依据严格规则进行特殊语句的语法练习。数学理论的出发点,由对确定数量的一些数学对象的若干“基本断言”(一般称为基本假设)组成,然后由这些基本假设,数学家力图使用纯粹的逻辑,来推断出被称为“定理”的新断言(这里的“断言”这个词我觉得是不是说成是“命题”更合适一些?好像这么理解下来这个词就是在说命题。)。而推导出这个新断言的“证明过程的长度正式数学上的一个兴趣点所在,并且事实上在哲学上有基本的重要意义”。关于这句话什么意思,作者会在之后的章节讨论。

感觉对这个过程的理解一脸懵圈,求说人话?其实理解起来大概就是:我先确定一些一眼就能看出来的东西,将其描述出来作为一个基本假设(比如:过平面上的任意两点有且只有一条直线,或者活泼一点别说数学,可以说:你下雨站在雨中你会被淋湿),然后将这些基本假设通过一些显然成立的逻辑手段(比如a=b, b=c,则a=c,衣服被淋湿会变重「原理可能是ma+mb=mc>ma?」)重新组合,就可以得到一些新的漂亮结论(我编不出来了你们自己脑补。。。其实我是想举一个例子的,结果找不到又短又典型的。。。)。

而一般来说数学家会遇到一些比较棘手的玩意,就是关于最初的那几个基本假设,其实证明起来非常的困难,比如为什么1+1=2?或者说“1”究竟是什么?这样的证明绝对是让数学家分分钟想撞墙。。。我就不掺和了。。。好好弄清楚如何利用这些基本假设得出有用的结论就好。。。

物理学呢,则是使我们的世界有意义。物理学家愿意逐个考察“实在的片段”(可以是一段运动,一次温度变化,任何你能想到的东西),然后将这个片段“抽象与简化”,接着尝试用一种数学理论去描述它。那么具体到实践操作中,就大概是这样子(让我来用物理学家的口气扯一段):

研究物体的自由下落。——选择一类现象

研究物体在这个片段(即运动)中的速度变化。——定义出该现象中可操作的物理概念

至此,完成了物理框架的构建

选择“函数”这一数学模型去描述速度随时间的变化——选择一个数学理论

通过某些奇怪的手段(呃不对,应该说是实验观测和推导论证),发现这里的关系是v=gt ——在数学理论和物理概念之间建立了“对应关系”

至此,完成了数学对“实在片段”的表述

物理研究的重点,就是找到这样的对应关系,并且,对应关系对实在片段描述的越精确,这种对应关系就越好。

那么现在对数学和物理的大致区别有了一定的了解。明天我继续说书中讲到的另外一点,关于这两门学科内在一致性的探究——逻辑自洽的数学和神聚形散的物理。

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