上帝掷骰子吗——混沌之新数学(一)

本书的作者是英国沃里克大学数学家、科学作家伊恩·斯图尔特,这本书主要在讲数学和物理学。作者精通数学和物理学,简单生动的解释时常包含着意味深长的哲思。

我在一次偶然的机会发现了这本书,本来是打算去图书馆借曹天元的《上帝掷骰子吗——量子物理史话》,结果那本书被人借走了,只找到了这本伊恩·斯图尔特的《上帝掷骰子吗——混沌之新数学》。


你信仰掷骰子的上帝,我却信仰完备的定律和秩序。

                                                                                                                  ——爱因斯坦给玻恩的信


世界运动不息,我们的宇宙观也在随着发展变化。简单的定律不能产生简单的性态。确定性的定律会产生貌似无规性态。秩序能孕育出自身特有的混沌。问题与其说在于上帝是否掷骰子,不如说在于上帝怎样掷骰子。

                                                               -1 混沌出自秩序-

 物理学家微格纳把物理世界的结构说成是“不合理的数学有效性”。数学起源于物理所涉及的问题,但是数学的发展是曲折的。数学是一种工具,这种工具能够为我们所感知和领悟。数学是很难的,但这是一种认识世界可靠、有效的方法。

牛顿的万有引力定律表述很简单:任何两个物体之间存在着相互吸引力,吸引力的大小与两个物体的质量之积成正比,与两个物体之间的距离成反比。

 

牛顿是物理学家,也是数学家,他把他的定律提炼成数学方程的形式,这个方程把这些变化的量或者不变的量联系起来。

随着变化的发展,出现了微分方程(这玩意几百年前的东西,大学时学着还觉得不简单)。很多重要的微分方程都被解出来了,数学的一个个分支也由微分方程而逐渐发展壮大。

正是因为数学和物理学的发展,才有了人类向太空探索的步伐,才有了各种探测卫星。

作者在努力解释混沌,他给出了三条:1 混沌是在有秩序的宇宙之前就已存在的无秩序、无定形的物质。2 完全的无序,彻底的混乱。3 (数学上)指在确定性系统中出现的随机性态。我也在努力理解,但看几遍之后还是混沌。我目前能理解的混沌是一种概念,一种变化,是一种有序和无序的统一。

在印度神话里有毁灭之神湿婆和维护之神毗湿奴,这两个一个是有序,一个是无序,但是无序的湿婆人格是多面的。无序的湿婆和有序的毗湿奴之间的区别是两种不同的表现方式,不是简单的善与恶的区别。

秩序与混沌是不同的两种表现,两者也不是孤立存在的,这好比中国传统文化中的阴和阳,相生相息,时刻变化,可以孕万物。

                                                                     -2 万应方程-

泰勒斯是古希腊伟大的科学家、哲学家,也是米利都学派的创始人。一天晚上,泰勒斯一边思考一边散步,他出神的走着,一不小心掉入河里。一位女士开玩笑的说:“连自己脚下的东西都没搞清楚,你又怎能察知天空中发生的事情呢?”

只有当数学家们把月光从宇宙收回,更加切实地——并且更加认真地——审视自己足下正发生的事情,动力学才开始取得进展。

我们中学时学到的抛物线是伽利略推演出来的。中世纪的时候,人们把射出的炮弹运动轨迹分为直线、圆弧、垂直落下三个部分,伽利略发现了落体的加速度是恒定的,并由此推出抛物线。抛物线在现在看来可能并不复杂,但对当时以及后来很长一段时间的数学界来说,绝对是不简单的成果。

自然规律包括两部分,一部分是天体物质,一部分是世间物质。当伽利略在耳听大地的时候,开普勒在仰望苍穹。他发现了行星的运动规律,这个规律又叫开普勒第三定律,这一定律为前面第一部分牛顿的万有引力定律奠定了基础。

事实上,物理学的不同的分支都来自数学定律。对于工程技术而言,弹性方程用来解释材料在应力作用下的变形;描述热流变化、曲线叠加可以追溯到傅里叶分析;无线电波的发现和应用来源于麦克斯韦方程。

1750年,拉格朗日汲取了欧拉的思想,产生了动力学的一个精巧的、影响深远的重新表述。他的两个重要思想:一个是能量守恒原理,一个是引入了“广义坐标”。

能量守恒原理是初中物理学过的内容,动能和势能是可以相互转化的两种能量,在转化时的总能量是不变的,一种能量的增加必然伴随着另一种能量的减少。拉格朗日的“广义坐标”避免了繁琐的坐标转换,对力学的发展产生了深远的影响。

                                                                            -END-


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