罗素在他的《西方哲学史》上这样说:
恰当的说,数学不仅涵括真理,亦表现最高等的美——这种美冷静而简朴,宛若雕塑,不诉诸我们任何柔弱的本性,没有绘画中亦或音乐中的华丽绚烂,但是纯粹得庄严,只有最伟大的艺术才能展示其严格的完美。
英国科学期刊《物理世界》曾让读者投票评选了“最伟大的公式”,最终上榜的十个公式中,令人感到无比欣慰的是有好几个是大家比较熟悉的。
下面来看看这十个人类科技史上“最伟大的公式“,你熟悉哪几个?
No.10 圆的周长公式(The Length of the Circumference of a Circle,创立时间:1665年)
$c=2\pi r$
这个公式最牛的地方,个人认为是常数$\pi$的引入。在古代,人们还不知道圆周和半径的关系,等到开始将他们联系起来时,测量手段和计算方法都不完善,以至于最早$\pi=3$,精度就算很高了。一直以来,世界各国都有无聊人士计算圆周率,下面两个计算圆周率的公式令人叹为观止:
拉马努金公式:
$\begin{split}\frac1\pi=\frac{2\sqrt2}{9801} \sum_{k=0}^\infty \frac{4k!(1103+26390k)}{{(k!)^4}396^{4k}}\end{split}$
楚德诺夫斯基公式:
$\begin{split}\frac1\pi=12\sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k(6k)!(13591409+545140134k)}{(3k)!{(k!)}^3{640320}^{3k+\frac32}}\end{split}$
No.9 傅立叶变换(The Fourier Transform,创立时间:1807年)
$\begin{split}\hat{f}(\xi)=\int_{-\infty}^\infty f(x)e^{-2\pi ix\xi}dx\end{split}$
这种数学变换,世界上99.9%以上 人完全无法理解。
傅立叶变换是数字信号处理领域一种很重要的算法,傅立叶变换表明:任何连续测量的时序或信号,都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。而根据该原理创立的傅立叶变换算法利用直接测量到的原始信号,以累加方式来计算该信号中不同正弦波信号的频率、振幅和相位。
说到底,今天我们能够用电脑手机等设备上网,还得感谢这位姓傅的法国人。
No.8 德布罗意方程组(The de Broglie Relations,创立时间:1924年)
$\begin{cases}p=\hbar k \\E=\hbar \omega\end{cases}$
这两个方程指出了微观粒子波长和动量的关系,频率和能量的关系,表明粒子具有“波粒二象性”,彻底颠覆了牛顿的光粒子说,又否定了光的波动说。德“不如意”同学做了一回老好人,将光的粒子说和波动说结合起来,脑洞大开的说,光具有“波粒二象性”,并推衍到所有物质,产生了“物质波”这一说法,这个公式开始与物理有关系了。
凭着这两个物质波方程,德“不如意”同学获得了1929年诺贝尔物理学奖。
No.7 $1+1=2$ (这大概是最容易理解的公式了,创立时间:远古时代)
这个公式还需要解释吗?也许你会觉得这个公式太简单了,但是这的确是人类发展史上最基本的公式之一,数学王国的一切皆由此演绎而来,这个公式如果不成立,那将会是人类的灾难!
这个公式我小学就应用得炉火纯青了,不过还是被阿凡提给糊弄过,我做巴依老爷时,他说“一群羊加一群羊等于几群羊?”我回答:“等于两群羊!”大家说说,我有错吗?!
No.6 薛定谔方程(The Schrödinger Equation,创立时间:1926年)
$i\hbar\frac{\partial}{\partial t} \Psi(r,t)=\hat{H}\Psi(r,t)$
好吧!我承认,有好几个字母大多数人(包括我自己)是不认识的。
官方评价:“薛定谔方程是世界原子物理学文献中应用最广泛、影响最大的公式。”
这位奥地利薛姓男子,凭着这个方程描述了一只不死不活的猫,获得了1933年诺贝尔物理奖。
No.5 质能方程(Mass–energy Equivalence,创立时间:1905年)
$E_0=mc^2$
这个方程老牛X了,就这么简单的公式,产生出了一堆副产品,其中“原子弹”是最简单直白的应用。
提到爱因斯坦,大多数人都能脱口而出,至于要解释它是干啥的嘛……
在它出现之前,人们毫无疑问的认为:质量是质量,能量是能量,两者间没有联系,而质能方程将两者联系了起来。
当年爱因斯坦的论文可不是《相对论》,也不是《狭义相对论》,而是叫做《论动体的电动力学》,没想到吧!
No.4 勾股定理/毕达哥拉斯定理(Pythagorean Theorem,创立时间:公元前)
$a^2+b^2=c^2$
勾股定理是几何中最为基础的等式之一,$a、b、c$三个字母,简洁明了地表达了直角三角形三边的数学关系,勾三股四弦五至今深入每一个中国人的心灵。
No.3 牛顿第二定律(Newton’s Second Law of Motion,创立时间:1687年)
$F=ma$
牛顿第二定律是经典物理学的核心,它适用于我们日常生活的方方面面,它标志着真正物理学研究的开始。没有牛顿,人类文明会在黑暗的世界中度过更长的时间。
艾萨克·牛顿爵士一生未结婚,据说是因为在他眼里,没有人配得上他。牛哥确实有骄傲的资本,他奠定了现代数学和现代物理学两大学科的基础,动力学的所有基本方程都可由上面这个公式通过微积分推导出来。
这个被认为是经典物理学中最伟大的没有之一的核心定律,却发表在牛哥的《自然哲学的数学原理》中,不带这么玩的好吗?写成《自然哲学的物理原理》,我可能还好受点!
No.2 欧拉公式(Euler’s Identity,创立时间:1748年)
$e^{i\pi}+1=0$
这个公式的巧妙之处在于:它没有任何多余的内容,将数学中最基本的$e、i、π$放在了同一个式子中,同时加入了数学也是哲学中最重要的$0和1$,再以简单的加号相连。
数学上有许多公式都是欧拉发现的,因此欧拉公式并不是某单一的公式,欧拉公式广泛分布于数学的各个分支中,比如分式、拓扑学、平面几何等等。
欧拉数$e$,由欧拉首创,表示增长的极限,在我们的生活中无处不在,包括复利的增长,细胞的繁殖…
圆周率$\pi$,源自世界上最完美的对称图形,由欧拉第一个命名并普及。
虚数$i$,同样由欧拉第一个命名,一切事物的值都可以表示为$a+bi$….由此组成的欧拉公式,研究交流电时少不了它,信号分析依赖它,研究任何圆周运动免不了用到它,还是量子力学的重要数学工具……乎所有的数学领域,都会使用到它。后来,这个公式更被誉为“上帝公式”,无数公式中只有它获得了如此高的评价,不得不服!
伟大的数学家高斯曾经说:“一个人第一次看到这个公式而不感到它的魅力,这个人绝不会成为一流的数学家!”
No.1: 麦克斯韦方程组(The Maxwell’s Equations,创立时间:1861-1862年)
$\begin{cases}\oint_SD\cdot dA=Q_{f,S} \\ \oint_SB\cdot dA=0 \\ \oint_{\partial S}E\cdot dI=-\frac{\partial \Phi_{B,S}}{\partial t} \\ \oint_{\partial S}H\cdot dI=I_{f,S}+\frac{\partial \Phi_{D,S}}{\partial t}\end{cases}$
麦克斯韦仅靠纸笔演算,并从这组公式预言了电磁波的存在。麦克斯韦去世后,赫兹用物理实验证明了电磁波的存在,并且符合麦克斯韦的理论,由此开启了人类无线电通信的崭新时代。
如果没有上帝,怎么解释如此完美的方程?
这组公式融合了电的高斯定律、磁的高斯定律、法拉第定律以及安培定律。
有人评价它:“一般地,宇宙间任何的电磁现象,皆可由此方程组解释。”从这个角度来看,麦克斯韦方程组名列第一可以说是实至名归!
《“人类科技史上十个最伟大的公式”》 有 1 条评论
欧拉公式$e^{i\pi}+1=0$被称为上帝公式!