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为什么物理学发展总是滞后于数学

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咱们可以分析物理和数学的特点,找出它们的不同点,答案必然就在这不同点上了。

物理,本质是探索物质世界一切现象原因的科学。这里的现象,非常广,包括宏观的和微观的。这里的原因也很深远,而且随着探索的不断加深,原因也会越来越指向本质。但是,无论如何,物理的研究与发展,其目的绝不脱离物质世界,即便是理论物理,也不例外,理论物理的研究是为预测物质世界,探索物质世界尚不能被观察的规律而存在。而且,从物理的发展历史看,物理初期的发展与物质世界结合度非常高,大家对物理学知识很容易理解,因为初期的物理还只停留在眼前的小圈子。到了牛顿横空而来,圈子变大,人们开始对力,对光,对电等难以捉摸的物质思考;再到麦克斯韦光电磁方程组,到爱因斯坦相对论,更难理解,因为他们要探索解决的已经不是我们日常生活中简单的现象。到了普朗克,海森堡,狄拉克他们,量子力学,再到后来的弦理论等等。会发现,物理的发展与探索,是以物质世界为依附,为根本,研究方向是由近及远,由简单到复杂,这里的近是靠近日常生活,远是远离日常生活。简单是日常所见之现象,复杂,是这些现象背后深层次的原因,以及深层次深层次逐渐深入的原因探索。

数学,我最喜欢的科学,可能会有主观色彩在里面。数学的特点是高度抽象,以至于如此得到的公式定理体系,可以解决任何满足大前提的问题。而且,它总是理论上的,理想化的,不会为现实里的矛盾而烦恼。它总站在思想的层次,远远脱离物质世界。数学最开始的发展还能找到一些物质世界的影子,当然所有的数学建模都与物质世界有关,但最终的研究理论,总是远远的,高高的俯视这个世界。它的根源于物质世界,或者这样说比较好,把物质世界比喻为海洋,数学的发展就是从海底生物到天空飞雁的过程,而且这货脱离海洋的速度非常快。数学后期的发展,基本就是在玩思想游戏,越走越远,越走越深。

为什么物理学发展总是滞后于数学

如果,物理走的是从研究上帝躯体入手,进而探索上帝本质。那么数学走的就是从上帝思想缩影入手,进而探索上帝全部思想。

那么好了。咱们再看一个逻辑。当你要做一件事,你是先有想法呢,还是先去做呢?想法那个层次就是数学层次,做就是物理的层次。所以,数学总跑在物理前面。就因为当你要画一条线段时,你的脑海里早已有了它的影子。

然后这并非绝对。因为数学和物理,它们的本质都在于认识宇宙。它们只是方向不同,体系不同。但由于目标是相同的,所以无论从哪儿来,最终都要汇聚罗马。只是数学整体要快一些。但随着时间的深入,两者的交集必然增加,物理必然更加渐渐远离物质世界,而和数学”同流合污”。换句话说,未来很远处的物理,你将很难区分它是物理还是数学,你将很难区分它是物质的,还是思想的。

但从这个趋势看,数学是思想的,物理在奔着思想去。可见,咱们这个物质世界的本质,弄不好只是个念头,想法罢了。

这是一个很有趣的问题,虽然我不太认可本身的提法,正确的说法也许应该是“物理学与数学是相互促进地发展!”

在古代,物理学的出现是以阿基米德为代表的,阿基米德的数学与物理水平在当时是登峰造极的。在他身上,你可以看出数学与物理是相互促进的。比如,阿基米德他有一个杠杆定理,说的是动力乘以动力臂等于阻力乘以阻力臂。这个定理是物理上的,但是,当时有一个数学问题是如何求出球体的体积。阿基米德的数学与物理是融会贯通的,他用杠杆定理求出了球体的体积公式。这是数学与物理一起发展的第一个例子。

到了文艺复兴以后,数学与物理一起发展的杰出代表人物是牛顿。牛顿发现万有引力定律,这个当然是物理结果,但是,如果牛顿只提出这个平方反比的万有引力定律,他是计算不出行星绕着太阳运动的轨道的,他还需要发明一种数学方法来处理,于是,他发明了微积分。这个是数学与物理一起发展的第二个例子。

到了近代,数学与物理一起发展的代表人物是陈省身与杨振宁。数学家陈省身是微分几何的大师,他与其他人一起发展了纤维丛理论,用来刻画流形的拓扑与几何的关系。而物理学家杨振宁受到前辈学人的启迪,差不多在同时,与其他人一起发展了物理中的规范理论。后来可以发现,数学上的规范场就是纤维丛上的联络。这个是数学与物理一起发展的第三个例子。

当然,有的时候是数学领先于物理的发展的,比如数学家的群理论发展了30年后,物理学家发现可以用在量子力学中;比如黎曼几何学出现了50年后,爱因斯坦把它用到了相对论。但有的时候是物理领先于数学的发展的,比如超弦理论中的超对称是物理概念,但可以促进微分几何中的镜像对称理论的发展。