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改变历史进程的17个方程式 02

Masir123 科学羊 2024-03-30
本系列文章预计会有30个章节,这套文献将系统讲物理学系统本身,这里是第九季第2篇
本文预计阅读10min--

Hello,大家好,这里是Masir的物理学第九季专栏,本季度开始写作之前我还未明确这一季的真实主题是什么,但大致会围绕着科学来讲,主要包含数学和物理学。

本篇我们来谈谈数学,数学无处不在,它以无数种方式塑造了我们对世界的理解。

之前我们聊过这么一句话,宇宙究竟是由什么构成的,其实自古至今都没有人能够知道。而唯一知道的只是人类对宇宙模型的包装。也就是人类科学家总会用一些高深的专业名词来定义宇宙构成的定义。什么M理论呀、弦论呀等等。

其实重要的问题不在于他们如何定义,而是对我们自己本身的影响,也就是我们应该如何看待和理解这个世界,这就像我们第四季说阐述的世界观一样!

随着自身的世界观的建立,我认为最靠谱的还是——宇宙是数学的!

2013年,数学家兼科学作家伊恩 · 斯图尔特出版了一本名为《改变世界的17个方程式》的书最近,我们在 Paul Coxon 博士的推特账户上偶然发现了一张数学导师兼博客作者 Larry Phillips 提供的方便表格,上面总结了这些方程式。


接下来,我们一个个来谈,大家只做大致了解,后续再仔细谈!

1

01 毕达哥拉斯定理(勾股定理)


数学表达式为:  或者   。

这个定理是我们理解几何学的基础。它描述了一个平面上直角三角形两边之间的关系: 把短边 a 和 b 的长度平方,再把它们加起来,就得到了长边 c 的长度的平方。

在某种程度上,这种关系实际上区分了我们正常的、扁平的欧几里得几何和弯曲的、非欧几里得几何的。例如,在球体表面绘制的直角三角形不需要遵循勾股定理。

2

02 对数

当有 ß 则有 ß  。

其中ß是对数的底(也称为基数),而  就是  的对数,  也称为真数。

对数是指数函数的倒数,或者说是指数函数的对立面。一个特定基数的对数告诉你需要多大的能量才能得到一个数字。
 
图中的方程,   ,显示了对数最有用的应用之一: 它们将乘法转化为加法。

直到数字计算机的发展,这是最常见的方式,快速乘以一起的大数,大大加快了物理学,天文学和工程计算。 

3

03 微积分


微积分有:  

但上图给出的公式是微积分中导数的定义,导数测量一个量变化的速率。
例如,我们可以把速度看作是位置的导数ーー如果你以每小时3英里的速度行走,那么每小时你就改变了3英里的位置。

自然,很多科学家都对理解事物如何变化感兴趣,而导数和积分(微积分的另一个基础)是数学家和科学家理解变化的核心。

关于微积分的细节我们后续还会谈。

4

04 万有引力定律


牛顿万有引力定律描述了两个物体之间的万有引力,用一个宇宙常数,G,两个物体的质量,m1和 m2,以及物体之间的距离,牛顿万有引力定律是科学史上非凡的一部分ーー它几乎完美地解释了为什么行星以它们自己的方式运动。

同样引人注目的是它的普遍性ーー这不仅仅是引力在地球或我们太阳系的作用方式,而是在宇宙的任何地方。

牛顿的引力理论在过去的200年里一直保持得很好,直到爱因斯坦的广义相对论理论才被取代。

5

05 -1的平方根


数学家一直在扩展数字的概念,从自然数,到负数,到分数,再到实数。通常写成 i 的 -1的平方根完成了这个过程,产生了复数。

从数学上来说,这些复数是极其优雅的。代数完美地按照我们想要的方式运行ーー任何方程都有一个复数解,这种情况对于实数来说是不正确的: x2 + 4 = 0没有实数解,但它有一个复数解: 2i,或2i。

微积分可以推广到复数,通过这样做,我们发现了这些数的一些惊人的对称性和性质。这些特性使得复数在电子学和信号处理中至关重要。

6

06 欧拉多面体公式


多面体是多边形的三维版本,就像右边的立方体。多面体的角称为顶点,连接顶点的线称为边,覆盖多面体的多边形称为面。

一个立方体有8个顶点,12条边和6个面。如果我把顶点和面相加,再减去边,我得到8 + 6-12 = 2。

欧拉公式表明,只要你的多面体表现良好,如果你把顶点和面相加,然后减去边,你总会得到2。无论你的多面体有4,8,12,20或者任何数量的面,这都是正确的。

欧拉的观察是现在被称为拓扑不变量的第一个例子ーー一类彼此相似的形状共享一些数字或性质。

整个“行为良好的”多面体类将有 V + F-E = 2。这一观察结果,连同欧拉对 Konigsburg 问题的解答,为拓扑学的发展铺平了道路,拓扑学是现代物理学的一个重要的数学分支。

7

07 正态分布


正态概率分布在统计学中无处不在,上面的钟形曲线图就是我们熟悉的那种。

正态曲线在物理学、生物学和社会科学中被用来模拟各种性质。正态曲线经常出现的原因之一是它描述了大量独立过程的行为。

8

08 波动方程

这是一个微分方程,或者说是一个方程式,它描述了一个属性如何随着时间的推移而变化,如上所述。

波动方程描述了波的行为ーー震动的吉他弦、投掷石块后池塘里的涟漪或白炽灯泡发出的光。波动方程是一个早期的微分方程,解决这个方程的技术开启了理解其他微分方程的大门。

9

09 傅里叶变换

这种傅里叶变换对于理解更复杂的波结构(如人类语言)至关重要。给定一个复杂的、混乱的波函数,比如一个人说话的录音,这个傅里叶变换可以让我们把这个混乱的函数分解成几个简单波的组合,极大地简化了分析。

傅里叶变换是现代信号处理和分析以及数据压缩的核心。 

关于傅立叶变换的细节我们后面还会仔细谈,因为这里有大智慧。

10

10 纳维 - 斯托克斯方程


就像波动方程一样,这是一个微分方程。

这个纳维-斯托克斯方程描述了流动的液体的行为ーー水流过管道,牛奶被混入咖啡,空气流过飞机机翼,或者香烟冒出的烟雾。

虽然我们已经得到了纳维-斯托克斯方程的近似解,使得计算机能够很好地模拟流体运动,但是是否有可能建立数学上精确的方程式仍然是一个悬而未决的问题(有一百万美元的奖金)。

11

11 麦克斯韦方程组

这组四个微分方程描述了电(E)和磁(H)的行为和关系。

麦克斯韦方程式的经典电磁学就如同牛顿运动定律和万有引力定律的经典力学ーー它们是我们解释电磁学在日常生活中如何工作的基础。

然而,正如我们将看到的,现代物理学依赖于量子力学对电磁学的解释,现在很清楚,这些优雅的方程只是一个近似值,在人类尺度上运行良好。

12

12 热力学第二定律


这表明,在一个封闭的系统中,熵(S)总是稳定或增加的。粗略地说,熵是衡量系统混乱程度的指标。一个系统开始时是有序的、不均匀的状态,比如说,一个热区域紧挨着一个冷区域,这个系统总是趋于平衡,热量从热区域流向冷区域,直到均匀分布。

这个热力学第二定律是物理学中为数不多的时间如此重要的例子之一。大多数物理过程是可逆的ーー我们可以在不把事情搞砸的情况下倒推方程式。然而,第二定律只是沿着这个方向运行。如果我们把冰块放在一杯热咖啡里,我们总是看到冰块融化,而不会看到咖啡结冰。

13

13 相对论


爱因斯坦用他的特殊和广义相对论理论从根本上改变了物理学的进程。经典方程 E = mc2表明物质和能量是等价的。狭义相对论带来了一些想法,比如光速是一个普遍的速度极限,时间的流逝对于以不同速度移动的人来说是不同的。

广义相对论将引力描述为空间和时间本身的弯曲和折叠,这是自牛顿定律以来我们对引力的理解发生的第一次重大变化。广义相对论对我们理解宇宙的起源、结构和最终命运至关重要。

14

14 薛定谔方程


这是量子力学的主要方程式。正如广义相对论在最大尺度上解释我们的宇宙一样,这个等式支配着原子和亚原子粒子的行为。

现代量子力学和广义相对论是历史上最成功的两个科学理论ーー迄今为止我们所做的所有实验观察都与他们的预测完全一致。量子力学对于大多数现代技术也是必要的ーー核能、基于半导体的计算机和激光都是围绕量子现象建造的。

15

15 信息论


这里给出的方程是香农熵的。与上述熵一样,这是一种无序的衡量标准。在这种情况下,它测量消息的信息内容一本书、互联网上发送的 JPEG 图片,或任何可以象征性地表示的内容。信息的香农代表了一个下限,在这个下限内,可以压缩多少信息,而不会丢失其中的一些内容。

香农的熵测量启动了对信息的数学研究,他的结果对于我们今天如何通过网络进行交流至关重要。

16

16 混沌理论


这个方程就是梅的逻辑图。它描述了一个通过时间演化的过程ーー xt + 1,下一个时间周期中某个量 x 的水平,由右边的公式给出,它依赖于 xt,即现在 x 的水平。

K 是被选择的常数。对于 k 的某些值,这张图显示了混沌的行为: 如果我们从 x 的某个特定初始值开始,这个过程将以一种方式演化,但是如果我们从另一个初始值开始,即使一个非常接近第一个值,这个过程将以一种完全不同的方式演化。

我们在许多地区看到混沌行为ーー对初始条件敏感的行为ーー就像这样。天气就是一个典型的例子ーー一天内大气条件的微小变化可能会在几天后导致完全不同的天气系统,最常见的情况是一只蝴蝶在一个大陆上扇动翅膀,在另一个大陆上造成飓风。 

17

17 Black-Scholes 方程


另一位微分方程布莱克-斯科尔斯描述了金融专家和交易员如何找到衍生品价格。衍生品ーー基于某些标的资产(如股票)的金融产品ーー是现代金融体系的重要组成部分。

布莱克-斯科尔斯方程允许金融专业人士根据衍生品和标的资产的特性计算这些金融产品的价值。 

总结:

这17个公式都有自己各自精彩的故事,实际上大部分故事我们公众号都有很详细的阐述过了,喜欢的朋友可以翻看。

好,今天就先这样!

Masir - 2023/08/24

于 东莞

祝幸福~


参考文献:

1.https://www.businessinsider.com/17-equations-that-changed-the-world-2014-3#1-the-pythagorean-theorem-1

2.宇宙真的是数学的吗?06 (qq.com)

3.本片核心内容出自[1],译文参考即可


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