将数学看作宇宙的本质，为什么是错误的！其实，真实的世界远比方程复杂。

「封面」｜世界构建由3D网格构建幻想图

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大家好，我是科学羊，这里是数学篇第五季第33篇。

在理论物理学的世界中，许多激动人心的研究往往从一个美丽的数学框架出发，这些数学模型尝试解释我们尚未完全理解的宇宙奥秘。

然而，这些模型虽然精妙，但并不足以解释所有问题。

我们所拥有的最成功的理论，比如广义相对论和量子场论，虽然能够解决许多复杂的问题，但它们也存在着难以逾越的障碍。

它们在解释暗物质、暗能量以及为什么宇宙中物质多于反物质等问题时显得力不从心。

数学作为一种工具，确实帮助我们定量描述了宇宙。

然而，必须明确的一点是，宇宙是一个由真实物质构成的实体，而非数学方程的抽象体现。

你认为呢？

将数学视为万物的根本理论是错误的，历史也一次又一次地证明了这一点。

01 哥白尼与开普勒：数学的美丽与现实的碰撞

让我们回到16世纪，当时的科学家们正试图解释行星在夜空中似乎逆行的现象。

托勒密的地心说是当时占主导地位的理论，这一理论假设地球处于宇宙的中心，所有天体都围绕着地球旋转。

16世纪最大的谜团之一是行星是如何以明显逆行的方式运行的。这可以通过托勒密的地心说(左)或哥白尼的日心说(右)来解释。然而，让细节达到任意精度需要我们在理论上进一步理解观察到的现象背后的规律，这导致了开普勒定律和最终牛顿的万有引力理论。(图片来源: E. Siegel/Beyond the Galaxy)

通过复杂的数学技巧，托勒密的理论能够相对准确地描述行星的运动轨迹，但这种描述在细节上并不完美，总需要引入更多的修正。

哥白尼提出了日心说，认为太阳是宇宙的中心，所有行星都围绕太阳运转。这个理论在解释行星逆行上更加简单明了，但在与实际观测数据的匹配度上却不如托勒密的地心说精确。

然而，约翰内斯·开普勒的出现改变了一切。

开普勒太阳系的原始模型，宇宙奥秘，由5个柏拉图式的固体组成，它们定义了6个球体的相对半径，行星围绕这些球体的周长运行。尽管如此美丽，但它无法像椭圆那样描述太阳系甚至无法像托勒密的模型那样描述太阳系。(图片来源: Johannes Kepler，1597)

他提出了一个极具创意的数学模型，将六颗行星的轨道与柏拉图的五个立体几何体相结合。

这个模型美丽而优雅，但遗憾的是，它无法准确描述行星的运动轨迹，甚至不如托勒密的复杂模型。

最终，开普勒抛弃了这个纯数学的美丽模型，转而研究实际观测数据。

他通过对数据的深入分析，提出了著名的开普勒三定律，这些定律准确地描述了行星的轨道规律。这一突破标志着科学研究从纯粹的数学推理走向了以观察和实验为基础的科学实践。

开普勒第二定律指出，行星在相同的时间内，以太阳为一个焦点扫过相同的区域，与其他参数无关。同样的(蓝色)区域在一个固定的时间段内被扫除。绿色箭头代表速度。指向太阳的紫色箭头就是加速度。行星以椭圆形围绕太阳运动(开普勒第一定律) ，以相同的时间扫过相同的区域(开普勒第二定律) ，并且周期与它们的半长轴成正比(开普勒第三定律)。这些定律同样适用于任何引力太阳系。(来源: Gonfer/维基共享资源，使用 Mathematica)

02 爱因斯坦与希尔伯特：数学的局限性

随着时间的推移，物理学家们发现，牛顿的运动定律在解释高速运动物体和引力问题时存在严重的局限性。

这为爱因斯坦的相对论理论奠定了基础。爱因斯坦提出了广义相对论，解释了引力其实是由质量引起的时空弯曲现象。

然而，同期的数学家大卫·希尔伯特也在构建自己的引力理论。

他的理论不仅试图描述引力，还希望统一物质和电磁学的理论。

这一雄心勃勃的数学框架虽然在数学上无懈可击，但在面对实际观测数据时却未能成功。

最终，爱因斯坦的广义相对论获得了广泛的认可，而希尔伯特的理论则逐渐被历史遗忘。

这再次证明，尽管数学可以为我们提供强大的工具，但它必须与实际观察结果相结合，否则就无法在物理学中获得成功。

03 量子力学中的数学调整

在20世纪初，量子力学的诞生为物理学带来了新的挑战。

科学家们发现，传统的牛顿力学和经典物理学无法解释亚原子粒子的行为。

大卫·希尔伯特再一次站在了数学发展的前沿，他提出了希尔伯特空间的概念，这一数学工具在量子物理学中具有巨大的潜力。

然而，纯粹的数学框架依旧无法完美地描述量子现象。物理学家们不得不对数学进行调整，创造出符合物理实际的“结构希尔伯特空间”。

这种调整使得量子力学不仅在数学上自洽，也能够与实验结果一致，从而真正揭示了微观世界的奥秘。

电子具有波动特性和粒子特性，可以像光一样用来构造图像或探测粒子大小。在这里，你可以看到一个实验的结果，电子是通过一个双缝一次发射一个。一旦发射了足够多的电子，就可以清楚地看到干涉图样。

今天，理论物理学家们依然在探索数学的极限，尝试通过数学来揭示更深层次的宇宙规律。

从超对称理论到额外维度的假设，从新场论到群论的应用，数学提供了丰富的想象空间。

然而，历史告诉我们，数学本身并不能揭示宇宙的全部真相。每一次重大突破，都依赖于将数学与物理现实相结合的能力。

例如，在计算物体在空中抛射的轨迹时，牛顿的运动方程会给出两个答案，但实际上只有一个答案符合实际情况。

为了确定哪个答案是正确的，我们必须理解物理世界的具体细节，而不仅仅依赖于数学公式。

总结：

科学史上无数次的革命性进展都提醒我们，尽管数学是描述自然的强大工具，但它并非宇宙的本质。真正的科学进步来自于数学与观察的结合，来自于理论与实际的碰撞。

数学能够带我们到很远的地方，但要真正理解这个世界，我们必须始终保持对现实的敏锐观察和深刻理解。

数学不是答案，它是通往答案的桥梁。只有当我们将数学的力量与现实世界的复杂性结合起来时，科学才能继续前行，揭示宇宙的真正奥秘。

好，今天就先这样啦～

科学羊🐏  2024/08/19

祝幸福~ 

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