1971年尼加拉瓜發(fā)行了十張一套題為“改變世界面貌的十個數(shù)學公式”郵票,由一些著名數(shù)學家選出十個以世界發(fā)展極有影響的公式來表彰。其實不難發(fā)現(xiàn)選出的“數(shù)學公式”很多都是物理學中的公式,當然正是因為有強大的數(shù)學,你才能看到物理規(guī)律有如此簡明優(yōu)美的表達,那就讓我們懷著一份對自然的贊美之情來欣賞這十個公式吧。
1 手指計數(shù)基本法則
小孩子對數(shù)量的認識,幾乎都是從用手指頭數(shù)數(shù)開始。人類的祖先,從數(shù)指頭開始,逐漸累積經(jīng)驗,堆石子、數(shù)貝殼、樹支、竹片,而后有刻痕計數(shù)、結(jié)繩計數(shù)等,后來創(chuàng)造文字、數(shù)字及計數(shù)用具如算盤、籌算、計算器等,一切都從手指頭開始。嗯!可能是因為人有十隻手指,計算時以手指輔助,自然就形成了十進位的觀念吧!
人類發(fā)明了文字以后,相對就有了數(shù)字與數(shù)碼,數(shù)字是指數(shù)的詞,如一、二、三、四、五、…、十、百、千、萬;數(shù)碼是指數(shù)的符號,如1、2、3、4、5、6、7、8、9、0(以上為阿拉伯數(shù)碼),而明清兩代盛行用數(shù)碼來表示,就寫成:
中國算籌計數(shù):為十進位制,以下為1~9之表示法,有縱、橫兩式,交叉運用:
瑪雅數(shù)字:由中美洲的瑪雅所創(chuàng)造出來的一種象形文字,20以下采5進位的累進數(shù)制,20以上用位值制:
埃及的僧侶文:出現(xiàn)在世界上最古老的數(shù)學書賴固德紙草書上,這是象形文字的簡化,以下為各種不同數(shù)字的表示:
2勾股定理(畢達哥拉斯定理)
這個定理中國和巴比倫人早在畢氏之前一千年就在使用,但仍被稱為「畢氏定理」,主要是因為畢氏證明了定理的普遍性。據(jù)說在證明成功的當天,畢氏叫學生們宰殺了一百頭牛,舉行盛大的宴會來慶賀。所以,畢氏定理又有「百牛大祭」的美稱。
若正方形的邊長為1,對角線的長度不能用分數(shù)來表示。整數(shù)構(gòu)成的分數(shù)是有理數(shù),不能寫作整數(shù)與整數(shù)比的數(shù)稱為無理數(shù)。無理數(shù)的存在是畢氏學派首先發(fā)現(xiàn),也是數(shù)學史上重要的里程碑。
你知道嗎?歷史上關(guān)于畢氏定理的證明,超過四百種方法喔!
三國時代的數(shù)學家趙爽注釋「周髀算經(jīng)」時給的證明:「弦實」:以弦為邊的大正方形面積「朱實」:四個直角三角形的面積和「黃實」:中間圍起來的小方塊面積「弦實」-「朱實」-「黃實」
數(shù)學家劉徽的證明,叫做「出入相補法」:簡單的說,就是剪貼證明法,他把勾股為邊的正方形上的某些區(qū)域剪下來(出),移到以弦為邊的正方形的空白區(qū)域內(nèi)(入),結(jié)果剛好填滿,完全用圖解法就解決了問題。-「黃實」
3阿基米德杠桿原理
阿基米德說:『給我一個支點,我就可以移動地球!』,希臘國王要求他證明,他便借了一艘大船,他運用杠桿原理以及滑輪巧妙地組合機械,船載滿乘客及貨物后,阿基米德讓國王用手輕輕的拉一條繩子,大船就直線前進了。國王很是驚訝與佩服并立即宣佈:「從現(xiàn)在起,阿基米德說的話我們都要相信?!?span lang="EN-US">
阿基米德的成就,除杠桿原理外,還有著名的浮力原理─「物體在液體中的浮力等於它所排開的液體重量」。他也是杰出的數(shù)學家,著有《圓的量度》《拋物線的求積》《論螺線》《論球和圓柱》《論劈錐曲面體和球體》《數(shù)沙術(shù)》《論平板的平衡》等書。阿基米德最得意的杰作是導出圓柱內(nèi)切球體的體積是圓柱體積的2/3倍,這個圖形就刻在他的墓碑上。
4納皮爾指數(shù)與對數(shù)關(guān)系公式
納皮爾原是一位蘇格蘭的修道士,業(yè)余研究數(shù)學,他為尋求球面三角計算的簡便方法,經(jīng)20年的努力,創(chuàng)造出對數(shù)的關(guān)念,出版了《奇妙的對數(shù)表的描述》一書。天文學家刻卜勒利用他的對數(shù)表簡化了行星軌道的復雜計算?!笇?shù)」被譽為「用縮短計算時間而使天文學家延長壽命」,也對整個科學的發(fā)展起了重要作用。
納皮爾運用對數(shù)設(shè)計了所謂的「納皮爾的骨頭」的計算器,用數(shù)字木棒的排列來計算。十年后,威廉奧特運用對數(shù)設(shè)計了稱為「計算尺」的器具,成為往后350年工程師都會用到的工具。
你知道納皮爾花了多少時間來建構(gòu)整個對數(shù)表嗎?請注意這是發(fā)生在十六世紀末、十七世紀初的事情,所有的計算,只能利用紙筆一項一項慢慢地算,此納皮爾整整花了二十年的時間建立他的對數(shù)表,簡直是匪夷所思吧!試著想像一下二十年之間,每天都在重復做同類型的繁瑣計算,這種乏味的日子絕不是一般人能忍受的,但納皮爾熬過來了,而他的辛苦也得到了報償對數(shù)受到了熱切的歡迎。
5牛頓萬有引力定律
任何兩件物體會因質(zhì)量而互相吸引,吸力大小與質(zhì)量成正比,與距離的平方成反比。
牛頓小時候并不聰明,功課也不好,身體差、性格沉默又愛做白日夢,他的超人才智竟然是被一個野蠻的同學踢了一腳而喚醒的!牛頓決心發(fā)奮,誓言在功課上超越他,結(jié)果他不單在學校中名列前茅,18歲時便考進劍橋大學。
牛頓24歲時,倫敦發(fā)生流行病,他便返回故鄉(xiāng),在一年半的時間里有了三個非凡的創(chuàng)見,發(fā)明「微積分」,發(fā)現(xiàn)「萬有引力」,發(fā)現(xiàn)「光分七色」。1681年出版《自然哲學的數(shù)學原理》,總結(jié)出萬有引力定律,并提出三大運動定律,建立了古典力學的基本體系,被譽為最偉大的科學著作。牛頓十分謙虛,他說:「如果我看得比較遠,是因為我站在巨人的肩上?!?span lang="EN-US">
有人說,沒有哈雷,就沒有《自然哲學的數(shù)學原理》這本改變歷史的書,這話一點也不假。哈雷想盡辦法、好說歹說才讓牛頓同意寫書,皇家學會也同意出版,卻因瀕臨破產(chǎn)無法印刷,哈雷于是自掏腰包,所有出版庶務都一手包辦,和印刷商周旋、校訂、驗算數(shù)據(jù)和審圖??抗椎墓膭钆c努力《自然哲學的數(shù)學原理》一書才有機會呈現(xiàn)在世人眼前。
6麥克斯韋電磁方程組
馬克斯威爾用數(shù)學式子概括一切電磁現(xiàn)象,并預言:1.電場及磁場的波以光速在空間傳遞,2.光為電磁波的一種。這是無線廣播的理論基礎(chǔ),因此被稱為「無線電之父」。23年后,赫茲證實馬克斯威爾的預測創(chuàng)造出無線電波,開啟了無線電時代。這發(fā)現(xiàn),也是愛因斯坦狹義相對論的重要背景。
1865年馬克斯威爾預測電磁波輻射傳播的存在,將庫倫、安培、法拉第的研究結(jié)果整理成四個電磁場理論的數(shù)學式,這個理論提供了連續(xù)性的電的流動。1887年德國科學家赫茲(Hertz)實驗證明出電磁波。馬克斯威爾的理論將電學與磁學統(tǒng)合成一體。
愛因斯坦:「馬克斯威爾的工作是自牛頓以來,物理學上影響最深遠與豐碩的工作?!?span style="letter-spacing:.25pt">電磁波包含有長波、無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X光線、射線等。
7愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式
愛因斯坦小時候發(fā)育比較慢,三歲才開始講話,被人認為是反應遲鈍的孩子,他五歲的時候,父親給他一個羅盤,他被羅盤針永遠指同一方向的神奇性質(zhì)吸引住了。他后來回憶當時的感覺是:「在真正事物的背后,必定隱含若干真理?!?span lang="EN-US">
1905年是愛因斯坦「神奇的一年」,26歲的他發(fā)表了四篇最富創(chuàng)造性的偉大論文,使他獲得博士學位、1921年諾貝爾獎、并創(chuàng)立狹義相對論。相對論推論的結(jié)果真是匪夷所思,令人不敢置信,可是后來都證實了?,F(xiàn)在我們經(jīng)常聽到的黑洞、時光旅行、空間彎曲等等好像是科幻名詞,可都是相對論所推導來的哦!
令愛因斯坦最感后悔的是,在1939年他寫了一封信給美國總統(tǒng)羅斯福,促成原子彈的研究,因此與羅素合作,極力向世人呼吁禁止核子武器的開發(fā)和使用。
8德布羅意公式
德布羅意本來是學歷史的,受數(shù)學家龐加萊的影響而改學科學。1924年他在博士論文中提出「物質(zhì)波」的概念,轟動全世界,他認為任何實物、粒子都同時具有波與粒子二種性質(zhì),還運用愛因斯坦的相對論,導出物質(zhì)波波長的公式。他的看法后來被戴維森的實驗證實。而物質(zhì)波的概念也為波動力學的發(fā)展提供了重要的理論基礎(chǔ)。
當?shù)虏剂_意的論文發(fā)表后,愛因斯坦驚嘆不已稱道:「瞧瞧吧,看來瘋狂,可真是站得住腳呢!他揭開了一幅大幕的一角」。也驚動了老一輩物理學家:「這些青年人認為,拋棄物理學中老的概念簡直易如反掌!」
量子力學不僅是理論物理學,也是科學哲學研究的范疇,甚至影響了我們?nèi)粘I钪械囊恍┗炯俣?。量子力學有三個革命性的概念。第一個就是德布羅意的波、粒二重性─在微觀世界裡,很多東西具有波動和粒子雙重的特性。第二個是說所有的物理事實都只具有或然性,而沒有必然性。與古典物理學認為事件有確實性和可決定性相反。第三個是海森堡的測不準原理─測量粒子時,我們不能同時確切地知道粒子的位置和速度。若我們測量到粒子的位置越準確,則所知的速度越不準確,反之亦然。它們推翻了人們對物理學上一些假定的認知。
9玻爾茲曼公式
用牛頓力學來解釋物體內(nèi)每一個分子的運動,實際上是不可能的,波茲曼用統(tǒng)計的觀念,只考量分子運動排列的機率,來對應到相關(guān)物理量的研究,是很難懂,但卻是很聰明的辦法,對近代物理發(fā)展非常非常重要。
854年德國的科學家克勞宙斯(Clausius)首先引進了「熵(Entropy)」的概念。熵是表示雜亂程度的一個量。這個量在可逆過程不會變化,在不可逆過程會變大。像懶蟲的房間,若沒有人替他收拾打掃,房間只會雜亂下去,決不會自然變得整齊。熵的變化,具體來說,等于用絕對溫度除熱量變化的商。熵是希臘語「變化」的意思。生物也離不開「熵增大的法則」,生物需要從體外吸收負的熵來抵消熵的增大。
10齊奧爾科夫斯基公式
希歐考夫斯基是自學成功的,他本來是中學教師,有一次在教室里向?qū)W生大談天象奧秘,引起一位參觀的物理學家的注意,從此天才被發(fā)掘,引導俄國科學界放眼太空。后來,他對一群科學家說,只要大家努力,俄人將第一個走出地球,他的話成為事實,他也被稱為俄國火箭之父。
1895年他在科幻著作《地球與天空的夢想》中提出了用多節(jié)、液態(tài)火箭來脫離地球的想法。1903年在論文中說明將火箭用于星際交通的可能性,并提出太空航行火箭的設(shè)計原理。1957年他的夢想成真。
1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星,揭開太空時代的序幕,1961年送出第一位太空人─蓋加林,贏了太空競賽的第一役,美國在1969年送阿姆斯壯踏上月球,扳回一城。
他著重鉆研中國古代火箭技術(shù),請人翻譯明末及清初的軍事著作參考,尤其對《武備志》最感興趣。當時中國已擁有近三十種軍用火箭,“神機火龍箭”或“火龍出水”之類的武器令他著迷,他產(chǎn)生了更多的夢想和靈感,不久寫成《地球與天空的夢想》一書。
來源:數(shù)學中國 微信號
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