@ 2013.10.11 , 21:57
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诺贝尔物理学奖实在是个数学奖

实验是检验理论的唯一标准,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。

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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。

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「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。

本文译自 theatlantic,由译者 Junius 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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  1. 科学大人
    @2 years ago
    2951078

    显然小编不是理工科学生,但凡有一点理工科的常识的学生就不会在这里班门弄斧了。数学在理工科的地位相当于什么呢?那就是老妈,数学是科学他妈。任何理工科都不可能离开数学。物理如此,化学如此,生理也是如此(生理解微分、复变、各种变换难道不是数学知识)。这也是为什么诺贝尔奖没数学的原因,因为任何一个科学家都可以叫数学家,每一个数学家也都叫做科学家,数学是抽象的,但科学是具体的,虽然难以理解,但科学是具体存在的。还是劝你不懂别装懂,别瞎这么分类,闹笑话呢!

  2. 春哥
    @4 years ago
    2217681

    @ff 哲学是抽象科学,数学是具体科学,神学也是具体科学。怎可同日而语。你读过几本书就来乱分。

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