数学与物理的关系
数学与物理之间,究竟存在怎样的神秘关系,这个问题困扰着杨振宁。比如在一次回答中学生的提问时,杨振宁提到,他发现数学与物理存在着极为密切和微妙的关系,他以数学中的纤维丛 Fiber Bundle 与物理学中的电磁场结构具有同样的特征为例,这两个领域分别是数学家和物理学家各自独立研究的,比如陈省身就是研究 Fiber Bundle 的,他是一位纯数学家,并不研究物理问题,但却独立的发展出来了与电磁场结构完全一致的数学形式。他因此非常困惑,为什么会有这样的情况发生,他的一个解释是,可能说明数学和物理都是自然结构的一个表征
数学与物理的关系,如果我们从西方科学中去研究,的确是无法知道它们之间为何有如此神妙的关系,但如果能够跳出西方混乱和错误的科学概念,并重新整合中国古人的思想之后,就会发现,数学就是先秦齐国的柏拉图所说的「理型」Ideal。
「理型」,按文言文的一字一义来理解,其内涵就是「符合规律的型式」。理,是规律,而非理想、理念。之前我们提到过,中国唐末至北宋时期曾经发展出非常发达的「理学」,就是探索万物规律的学问,其中包括物理学,心理学,地理学、生理学,命理学等等。
有理数,无理数 的「理」也是如此含义,有理数,就是有规律的数,可以用有限的数准确表达它,无理数,就是无规律的数,它是无限不循环的数,无法找到一个有限数字来准确表达它。“道理”就是自然万物的规律,它也是可以通过有限步骤准确描述和逼近的
所以,柏拉图所说的「理型」,实际上就是一个拟合,一种逼近。用一个有限而简洁的型式来概括一类事物、一种模式的规律。最为有名的就是直线和圆。按量子力学的观点,微粒是在不断的变动其位置的,并非静止的,而且世界是由不可再分的量子所构成,因此,并不存在一个可以无限细分总能保持连续的直线和圆,但是,在许多的场景下,在无需达到量子级别的尺度时,这种逼近和拟合,将会大大的简化计算,并且提供足够精确的预计。
在我们考察了历史真相之后,我们就会明白,数学,原名其实应该是「算学」,其本意是快速计算,加减乘除,代数,微积分,线性代数等都是为了求解某类特定问题而发现的快速计算方法,他们都是中国古人所创造的,这些公式,都是人所发明创造的。它们之所以如此神妙,在于它们是经过实践和逻辑证明,能够准确拟合物理实在的
简而言之,算学,本身就是来自于物理实在的规律的表达。算学公式,就是表达这些「理型」规律的符号和语言。
中国古代,除了算学,还有「辨学」,它就是从理论上证明算学的合理性,避免在纯粹的算学计算和推导过程中产生谬误,使得其计算和推导的结果是可信的,或者在哪些条件下是可信的。辨学的前身是先秦时候的「名学」,而「逻辑学」,则是从辨学中进一步发展出来的分支。辨学与名学还会研究如何给一个概念取名,不发生歧义或者错愕,以及研究分析方法的漏洞,即什么样的分析方法是可靠的,比如演绎法,归纳法,假设法等等,这些都在辨学的研究范围内,而逻辑学,其范畴则要狭窄许多,仅仅对推导的逻辑过程进行分析。辨学大家是需要能够创造新的分析方法的,逻辑学大家则只在既定的分析方法中进行论证
中国古代,除了算学,辨学,还有量学。 「量学」,就是度量学、测量学,它是研究如何测量和度量一个物理量的,比如长度、温度、重量、磁场强度,电压,辐射等等,并且需要研究测量过程中会产生的误差,这些误差是人为造成的,还是测量器材本身结构造成的,抑或是气压、气温等气候变化导致的,这些都在量学中研究
为了准确的研究事物规律,非常显然,不能仅懂算学,还需要懂量学和辨学。实际也是如此,中国古代的天文学家们,不仅要观测天文,他们还要发明新的观察仪器,天天观测星体轨迹和运动,记录数据,并分析测量误差,沈括就在其梦溪笔谈中记录了他与卫朴用了五年时间观测的事迹,而牛顿的原型也是用了 20 年时间观测天文数据,消除测量气候带来的误差,发现其万有引力定律的确可靠才发表了其著作的
到了元明时期,人们开始发现数字本身就存在着特别的规律,比如整数,分数,素数等等,从而产生了专门研究数字规律的学问,被称为数论,也被称为数学。
所以,数学,狭义的定义就只是研究数论的,而广义的概念,则包括了算学,辨学和量学。
中国古代的数学家,其实都是要研究物理学的,所谓数理不分家。所有的数学问题,都源自现实的问题。我们可以知道,其实纤维丛这个数学领域,应该就是源自对电磁场的结构寻找一个「理型」的公式表达而产生的,它并不是独立产生的。之所以近代被认为它们是各自独立发展的,完全是因为近百年来,中国古人的著作被篡改和打散的四分五裂,许多人忙着出版新的理论以建立自己的学术地位和社会地位,导致纤维丛被独立发表了,而杨振宁在 30 年后才知道这样的公式存在。
实际上,这种现象,在我们考察历史真相的过程中,遇到了不止一次,如果大家自己去阅读清末民国时期出版的科学杂志和书籍,就会发现许多被提前许多年发表的超前理论,有的甚至至今尚未在西方发表
.