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在布達佩斯沿著多瑙河畔,來一趟數學朝聖之旅吧!

UniMath_96
・2018/05/01 ・4170字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 503 ・六年級

  • 文/陳宏賓 │ UniMath 主編、逢甲大學應用數學系助理教授。
多瑙河夜景:前方為伊莉莎白橋,後方是賽切尼鏈橋,左方發光的建築是布達城堡,右方可以看見摩天輪和附近的聖伊什特萬聖殿。 圖/作者提供

匈牙利是位於歐洲中部的內陸國家,人口僅一千萬,還不足台灣的一半,不過,這裡卻培育了許多世界奇觀等級的偉大數學家。其中一位正是我的偶像艾狄胥,還有被公認為天才的馮 · 諾伊曼也來自匈牙利。也因為如此,出發前就令我特別期待,心想一定要挪出一段空閒時間來趟數學朝聖之行。

橫跨多瑙河兩岸的布達佩斯是匈牙利的首都,這座古老城市其實是取多瑙河左岸的布達以及右岸的佩斯的聯集而成,許多主要的觀光地標也都分布在河岸不遠處,夜晚的多瑙河岸燈火通明,只要登上附近的小丘陵,就能擁有舉世無雙的夜景。布達佩斯被譽為多瑙河上的明珠,名不虛傳。

這次一行人從台灣過來拜訪的目的地,是隸屬於匈牙利最高學術機構《匈牙利科學院》底下十一個研究部門中的數學研究所《MTA Alfréd Rényi Institute of Mathematics》。我們接下來數學一日遊的腳步就從這裡開始。

路線安排:
Rényi 數學研究所(Rényi Alfréd Matematikai Kutatóintézet) > 匈牙利餐廳《Belvárosi Disznótoros》(午餐推薦) > 匈牙利科學院(Magyar Tudományos Akadémia) > 羅蘭大學數學博物館(ELTE Museum of Mathematics) > 紀念中庭 > 諾伊曼雅努士路(Neumann Janos utca)

(點圖放大)

Rényi 數學研究所(Rényi Alfréd Matematikai Kutatóintézet)

位於一條直通伊莉莎白橋的 Kossuth Lajos 大街旁邊不太顯眼的小巷裡,門口上方隨風飄揚的旗幟可以看到研究所專屬的 LOGO,由大寫的 R 和小寫的 i 組成。入口的玻璃門上也有相同印記,來訪時剛好櫃台人員不在座位上,因此沒人來幫我開門。不過門的右側牆上掛著此研究所的雙語門牌,我知道沒有跑錯地方。

圖/作者提供

沿著樓梯上到二樓主要演講廳之前,會看到排列整齊的相框,放著匈牙利籍不少已故數學家的遺照,除了史上數學論文著作最多的保羅 · 艾狄胥(Erdős Pál)之外,還有一位在數學、量子力學、電腦科學以及經濟學都有偉大貢獻的了不起人物──馮 · 諾伊曼(Neumann János)。

圖/作者提供

關於這兩位數學史上的傳奇人物,網路有許多關於他們生平的精彩故事,坊間也有相關的傳記,例如 Bruce Schechter 所寫的《不只一點瘋狂──天才數學家艾狄胥傳奇》和 Norman Macrae 原著的《天才的拓荒者:馮 · 諾伊曼傳》。由於我的所學和艾狄胥比較接近,過去經常在文章裡提到他的事蹟,加上台灣人好像普遍對馮·諾伊曼比較陌生,印象中幾年前有條新聞是當時的教育部長蔣偉文在台上問師生認不認識馮 · 諾伊曼,現場卻鴉雀無聲的尷尬狀況。所以這次,我打算留多些版面給這位二十世紀了不起的科學全才──馮 · 諾伊曼。

科學全才馮 · 諾伊曼

在他短暫的 55 年生命裡,為全人類至少留下兩項非常重要的發明,一是現代電腦的架構,另一個是應用廣泛的博弈論,這兩項發明大大加速了人類文明的進展,深深地影響我們的日常生活。除此之外,他也為現代量子物理發展奠下了最根本的數學基礎,於純數學和應用數學領域發展都有極大的貢獻。因此,下次當教育部長或有人再次問起,可千萬要記得這位被尊為「計算機之父」和「博弈論之父」的數學家馮 · 諾伊曼。

馮·諾伊曼進入蘇黎世聯邦工業大學時選的科系是化學,之後卻在布達佩斯大學(現在的羅蘭大學)又修了數學系的課程,據說他都不去上課,只參加考試,每一科都拿 A,22 歲就獲得了數學博士學位。自古至今,不知道是不是存在某種共識,大部份數學系的課好像都不點名呢,哈。

過目不忘的記憶力

能夠將僅僅看過一次的文章一字不漏地背誦出來,即使經過多年也依然順暢無阻,有許多人曾經見證這項特異功能。有一次好友為了測試他的記憶力究竟有多好,於是隨口問他雙城記是如何開始的,結果他馬上從第一章開始背誦,一連十分鐘才因朋友制止而停下來。後來有些人懷疑,馮 · 諾伊曼很可能患有現代所謂的罕見疾病「超憶症」。

與電腦匹敵的計算能力

有一次,一群數學家同事苦思一道難題不得其解,於是就由某位數學家帶著當時的電腦回去,隔天一早,抱著電腦回家的數學家來到辦公室說:「搞了一個晚上終於得到了五組特殊解,一個比一個還難!」

正當他們興高采烈討論時,馮·諾伊曼恰好走進辦公室,好奇地問:「什麼題目?很難膩?」

有人把題目給了他,馮 · 諾伊曼馬上就進入了沉思,五分鐘內依序給出了其中四組正確解答,後來有一位年輕同事忍不住打斷他,說出了最後一個答案,只見馮 · 諾伊曼沒有接話繼續思索著,一分鐘後說:「你的答案是正確的!」

說完又馬上進入思考模式,同事見他如此行徑忍不住問他答案都出來了還在思考什麼,他才不甘願地說:「我在想,他究竟用的是什麼方法,這麼快就算出了答案。」

後來得知對方是用電腦算出來的,他才釋懷大笑不已。

值得一提的是,很多人可能耳聞過艾狄胥和馮 · 諾伊曼這兩位大數學家的名字,卻很少人知道他們博士時期的指導教授都是費耶爾 · 利波特(Fejér Lipót)。我在牆上見到了他的相片,不禁在心裡豎起大拇指,深深佩服這位偉大的導師,能夠一手教出兩位成就非凡的數學家。

圖/作者提供

來到數學研究所二樓主要演講廳的後方,很令人好奇為何拉起紅龍還擺著一套辦公桌椅,一問才知道原來是數學研究所為了緬懷艾狄胥一生對於數學的奉獻,將其生前使用的辦公桌椅擺在演講廳的後方,象徵其精神永遠與數學同在。能夠坐上那張傳說中的椅子據說智力可以+30,雖然不能如願,但有幸能夠站在台上演講,也已經讓我十分滿足。

圖/作者提供

演講結束之後,前陣子才來台灣訪問的匈牙利學者 Miklós Simonovits 對我的問題深感興趣,我才講了一點點,他卻已經想到好遠的地方去了,還主動幫我們幾個台灣來的年輕人上了一堂隨機圖(Random graphs)的課,雖說聽他一堂課已經勝讀好幾天的書,他還是帶我們進圖書館裡推薦了幾本書給我們參考,一本他說是組合學的聖經,一本則是他拿在手上有點驕傲地說已經絕版的艾狄胥論文集(他和艾狄胥合作發表的論文有 21 篇 !),而我就趁此機會參觀了數學所的圖書館還看到了一張珍貴的老照片。

圖/作者提供

匈牙利科學院(Magyar Tudományos Akadémia)

匈牙利科學院是匈牙利最重要的學術研究機構,地位就像是中央研究院之於台灣一樣。由貴族伊什特萬塞切尼(István Széchenyi)捐出一部分個人財產所建立,創建於 1825 年,座落於佩斯區的多瑙河畔,非常靠近著名景點賽切尼鏈橋(Chain Bridge)。從 Rényi 數學研究所沿著多瑙河岸散步過去,差不多 20 分鐘,沿途景色優美,還有許多觀光遊船店家招攬生意。

拍攝當天 8/20 恰逢匈牙利國慶日,國慶煙火就在河畔舉行,科學院的門口設有緊急救護站。 圖/作者提供

羅蘭大學數學博物館(ELTE Museum of Mathematics)

羅蘭大學(Eötvös Loránd University;ELTE)舊名為布達佩斯大學,是匈牙利第一學府,創立於 1635 年,歷史相當悠久,布達和佩斯都有其校區。我這次住的地方和 Rényi 數學研究所就靠近羅蘭大學的法律學院以及總圖書館,這是在佩斯區。而我在估狗地圖上不小心發現位於布達區居然有個數學博物館(ELTE Museum of Mathematics),身為數學人怎能不去瞧瞧呢?跟我走~

博物館所在地的入口處長這樣,進門會看到一個小小展示區有顆大大的地球儀,上樓後就會看到地圖上所謂數學博物館就是眼前的收藏室。

圖/作者提供

可能是暑假的緣故沒有服務人員在現場,因此只能在門外過乾癮無緣進入收藏室,不過門外倒也有些玄機。請看牆上的這些圖畫及裝飾,是否有發現什麼呢?

圖/作者提供

羅蘭大學紀念中庭

走著走著,在相連接的同一棟建築裡,發現了一個室內的中庭,四周擺滿傑出校友的頭像雕塑,有不少諾貝爾獎得主,還有一些傑出貢獻的偉大人物,數學家馮 · 諾伊曼(Neumann János)也名列紀念碑上。

圖/作者提供

中庭上方還有個特別的透明穹頂,初看也沒發覺有什麼奇妙之處,走到接近正中央,一開口說話才被自己的聲音嚇到,原來是圓形穹頂聚集音波的效應。

圖/作者提供

另外,這棟建築物還有一處角落的樓梯也挺有意思,正中央懸掛了一顆金屬球,接近地面處還有些符號標示,正是法國科學家傅科證明地球自轉的物理裝置《傅科擺》。這樣的簡單裝置,在許多校園或者博物館是很受歡迎的展示品,也為我們此行增添了一點小驚喜。

圖/作者提供

諾伊曼雅努士路(Neumann Janos utca)

離開這裡之後,我們決定往前走,完成這一趟數學之行的最終站,一探以馮·諾伊曼為名的小路,一路上順便緬懷他的生平事蹟。

utca 和 ter 的匈牙利文都是路的意思。 圖/作者提供

在 1875 – 1905 年間出生於布達佩斯的人裡面,總共產出了 6 位諾貝爾獎得主,曾經有人問了其中一位諾貝爾物理獎得主維格納(Wigner Pál Jenő),為何他們這一代出了這麼多位天才?維格納回他:「我不明白您的意思,只有諾伊曼一個人是天才。」

頂著大太陽,沿著小路往公車站牌的路上,沒什麼風,行人也不多,偶爾才有汽車經過。走著走著不禁想到自己尚未解決的惱人問題……

數學真如馮 · 諾伊曼所說的簡單嗎?
我不知道。
或許,有一天我會說是吧。

「若人們不相信數學簡單,只因他們還未意識到生命之複雜。」──馮 · 諾伊曼

諾伊曼路是一條充滿綠蔭的小路。 圖/作者提供

本文轉載自UniMath,原文為《[數學旅人] 沿著多瑙河來一趟布達佩斯的數學漫步

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買樂透真的可以賺錢?大數法則揭示了賭博的真相!——《統計,讓數字說話》
天下文化_96
・2023/03/05 ・2394字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • id S. Moore、諾茨 William I. Notz
  • 譯者:鄭惟厚、吳欣蓓

什麼是大數法則?

期望值的定義是:它是可能結果的一種平均,但在計算平均時,機率大的結果占的比重較高。我們認為期望值也是另一種意義的平均結果,它代表了如果我們重複賭很多次,或者隨機選出很多家戶,實際上會看到的長期平均。這並不只是直覺而已。數學家只要用機率的基本規則就可以證明,用機率模型算出來的期望值,真的就是「長期平均」。這個有名的事實叫做大數法則。

大數法則
大數法則(law of large numbers)是指,如果結果為數值的隨機現象,獨立重複執行許多次,實際觀察到的結果的平均值,會趨近期望值。

大數法則和機率的概念密切相關。在許多次獨立的重複當中,每個可能結果的發生比例會接近它的機率,而所得到的平均結果就會接近期望值。這些事實表達了機遇事件的長期規律性。正如我們在第 17 章提過的,它們是真正的「平均數定律」。

大數法則解釋了:為什麼對個人來說是消遣甚至是會上癮的賭博,對賭場來說卻是生意。經營賭場根本就不是在賭博。大量的賭客贏錢的平均金額會很接近期望值。賭場經營者事先就算好了期望值,並且知道長期下來收入會是多少,所以並不需要在骰子裡灌鉛或者做牌來保證利潤。

賭場只要花精神提供不貴的娛樂和便宜的交通工具,讓顧客川流不息進場就行了。只要賭注夠多,大數法則就能保證賭場賺錢。保險公司的運作也很像賭場,他們賭買了保險的人不會死亡。當然有些人確實會死亡,但是保險公司知道機率,並且依賴大數法則來預測必須給付的平均金額。然後保險公司就把保費訂得夠高,來保證有利潤。

  • 在樂透彩上做手腳

我們都在電視上看過樂透開獎的實況轉播,看到號碼球上下亂跳,然後由於空氣壓力而隨機彈跳出來。我們可以怎麼樣對開出的號碼做手腳呢? 1980 年的時候,賓州樂透就曾被面帶微笑的主持人以及幾個舞台工作人員動了手腳。

他們把 10 個號碼球中的 8 顆注入油漆,這樣做會把球變重,因此可保證開出中獎號碼的 3 個球必定有那 2 個沒被注入油漆的號碼。然後這些傢伙就下注買該 2 個號碼的所有組合。當 6-6-6 跳出來的時候,他們贏了 120 萬美元。是的,他們後來全被逮到。

歷史上曾有主持人在樂透上做手腳,後來賺了 120 萬美元隨後被逮捕。圖/envatoelements

深入探討期望值

跟機率一樣,期望值和大數法則都值得再花些時間,探討相關的細節問題。

  • 多大的數才算是「大數」?

大數法則是說,當試驗的次數愈來愈多,許多次試驗的實際平均結果會愈來愈接近期望值。可是大數法則並沒有說,究竟需要多少次試驗,才能保證平均結果會接近期望值。這點是要看機結果的變異性決定。

結果的變異愈大,就需要愈多次的試驗,來確保平均結果接近期望值。機遇遊戲一定要變化大,才能保住賭客的興趣。即使在賭場待上好幾個鐘頭,結果也是無法預測的。結果變異性極大的賭博,例如累積彩金數額極大但極不可能中獎的州彩券,需要極多次的試驗,幾乎要多到不可能的次數,才能保證平均結果會接近期望值。

(州政府可不需要依賴大數法則,因為樂透彩金不像賭場的遊戲,樂透彩用的是同注分彩系統。在同注分彩系統裡面,彩金和賠率是由實際下注金額決定的。舉例來說,各州所辦的樂透彩金,是由全部賭金扣除州政府所得部分之後的剩餘金額來決定的。賭馬的賠率則是決定於賭客對不同馬匹的下注金額。)

雖然大部分的賭博遊戲不及樂透彩這樣多變化,但要回答大數法則的適用範圍,較實際的答案就是:賭場的贏錢金額期望值是正的,而賭場玩的次數夠多,所以可以靠著這個期望值贏錢。你的問題則是,你贏錢金額的期望值是負的。全體賭客玩的次數合起來算的話,當然和賭場一樣多,但因為期望值是負的,所以以賭客整體來看,長期下來一定輸錢。

然而輸的金額並不是由賭客均攤。有些人贏很多錢,有些人輸很多,而有些人沒什麼輸贏。賭博帶給人的誘惑,大部分是來自賭博結果的無法預測。而賭博這門生意仰賴的則是:對賭場來說,結果並非不可測的。

對賭場來說,贏錢金額期望值為正。圖/envatoelements
  • 有沒有保證贏錢的賭法?

把賭博很當回事的賭客常常遵循某種賭法,這種賭法每次下注的金額,是看前幾次的結果而定。比如說,在賭輪盤時,你可以每次把賭注加倍,直到你贏為止—或者,當然,直到你輸光為止。即使輪盤並沒有記憶,這種玩法仍想利用你有記憶這件事來贏。

你可以用一套賭法來戰勝機率嗎?不行,數學家建立的另一種大數法則說:如果你沒有無窮盡的賭本,那麼只要遊戲的各次試驗(比如輪盤的各次轉動)之間是獨立的,你的平均獲利(期望值)就會是一樣的。抱歉啦!

  • 高科技賭博

全美國有超過 700,000 台吃角子老虎(拉霸)。從前,你丟硬幣進去再拉下把手,轉動三個輪子,每個輪子有 20 個圖案。但早就不是這樣了。現在的機器是電動遊戲,會閃出許多很炫的畫面,而結果是由隨機數字產生器決定的。

機器可以同時接受許多硬幣,有各種讓你眼花撩亂的中獎結果,還可以多台連線,共同累積成連線大獎。賭徒仍在尋找可以贏錢的賭法,但是長期下來,隨機數字產生器會保證賭場有 5% 的利潤。

——本文摘自《統計,讓數字說話》,2023 年 1 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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假藥也能治療?安慰劑效應的原因:「不」隨機化實驗!——《統計,讓數字說話》
天下文化_96
・2023/03/03 ・1932字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • 作者:墨爾 David S. Moore、諾茨 William I. Notz
  • 譯者:鄭惟厚、吳欣蓓

實驗法中「隨機化」的必要性

隨機化比較實驗是統計學裡面最重要的概念之一。它的設計是要讓我們能夠得到釐清因果關係的結論。我們先來弄清楚隨機化比較實驗的邏輯:

  • 用隨機化的方法將受試者分組,所分出的各組在實施處理之前,應該各方面都類似。
  • 之所以用「比較」的設計,是要確保除了實驗上的處理外,其他所有因素都會同樣作用在所有的組身上。
  • 因此,反應變數的差異必定是處理的效應所致。

我們用隨機方法選組,以避免人為指派時可能發生的系統性偏差。例如在鐮形血球貧血症的研究中,醫師有可能下意識就把最嚴重的病人指派到羥基脲組,指望這個正在試驗的藥能對他們有幫助。那樣就會使實驗有偏差,不利於羥基脲。

從受試者中取簡單隨機樣本來當作第一組,會使得每個人被選入第一組或第二組的機會相等。我們可以預期兩組在各方面都接近,例如年齡、病情嚴重程度、抽不抽菸等。舉例來說,隨機性通常會使兩組中的吸菸人數差不多,即使我們並不知道哪些受試者吸菸。

實驗組與對照組除主要測量變數外,其餘條件必需盡可能相似。圖/envatoelements

新藥研究上不隨機分組帶來的後果:安慰劑效應

如果實驗不採取隨機方式,潛藏變數會有什麼影響呢?安慰劑效應就是潛藏變數,只有受試者接受治療後才會出現。如果實驗組別是在當年不同時間進行治療,所以有些組別是在流感季節治療,有些則不是,那麼潛藏變數就是有些組別暴露在流感的程度較多。

在比較實驗設計中,我們會試著確保這些潛藏變數對全部的組別都有相似的作用。例如為了確保全部的組別都有安慰劑效應,他們會接受相同的治療,全部的組別會在相同的時間接受相同的治療,所以暴露在流感的程度也相同。

要是告訴你,醫學研究者對於隨機化比較實驗接受得很慢,應該不會讓你驚訝,因為許多醫師認為一項新療法對病人是否有用,他們「只要看看」就知道。但事實才不是這樣。有很多醫療方法只經過單軌實驗後就普遍使用,但是後來有人起疑,進行了隨機化比較實驗後,卻發覺其效用充其量不過是安慰劑罷了,這種例子已經不勝枚舉。

曾有人在醫學文獻裡搜尋,經過適當的比較實驗研究過的療法,以及只經過「歷史對照組」實驗的療法。用歷史對照組做的研究不是把新療法的結果和控制組比,而是和過去類似的病人在治療後的效果做比較。結果,納入研究的 56 種療法當中,用歷史對照組來比較時,有 44 種療法顯示出有效。然而在經過使用合適的隨機化比較實驗後,只有 10 種通過安慰劑測試。即使有跟過去的病人比,醫師的判斷仍過於樂觀。

過去醫學史上常出現新藥實際沒療效,只能充當安慰劑效果的情況。圖/envatoelements

目前來說,法律已有規定,新藥必須用隨機化比較實驗來證明其安全性及有效性。但是對於其他醫療處置,比如手術,就沒有這項規定。上網搜尋「comparisons with historical controls」(以歷史對照組來比較)這個關鍵字,可以找到最近針對曾使用歷史對照組試驗的其他醫療處置,所做的研究。

對於隨機化實驗有一件重要的事必須注意。和隨機樣本一樣,隨機化實驗照樣要受機遇法則的「管轄」。就像抽一個選民的簡單隨機樣本時,有可能運氣不好,抽到的幾乎都是相同政治傾向一樣,隨機指派受試者時,也可能運氣不好,把抽菸的人幾乎全放在同一組。

我們知道,如果抽選很大的隨機樣本,樣本的組成和母體近似的機會就很大。同樣的道理,如果我們用很多受試者,加上利用隨機指派方式分組,也就有可能與實際情況非常吻合。受試者較多,表示實驗處理組的機遇變異會比較小,因此實驗結果的機遇變異也比較小。「用足夠多的受試者」和「同時比較數個處理」以及「隨機化」,同為「統計實驗設計」的基本原則。

實驗設計的原則
統計實驗設計的基本原則如下:
1. 要控制潛在變數對反應的影響,最簡單的方法是同時比較至少兩個處理。
2. 隨機化:用非人為的隨機方法指派受試者到不同的實驗處理組。
3. 每一組的受試者要夠多,以減低實驗結果中的機遇變異。

——本文摘自《統計,讓數字說話》,2023 年 1 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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強核力與弱核力理論核心:非阿貝爾理論——《撞出上帝的粒子》
貓頭鷹出版社_96
・2023/01/28 ・1733字 ・閱讀時間約 3 分鐘

非阿貝爾理論

量子色動力學與弱核力理論有個更為奇特的性質,兩者都是「非阿貝爾理論」 (non-Abeliantheories)。非阿貝爾的意思是強核力與弱核力理論核心(參見【科學解釋 6】)的對稱群代數是不可交換的。簡單來說就是「A 乘 B」不等於「B 乘 A」。

一般人的常識會告訴你,如果隨便拿兩個數字 A 和 B,用 A 乘 B 的結果永遠會和用 B 乘 A 一樣,你用計算機怎麼試答案都不變。一個袋子裝三塊錢、兩個袋子總共是六塊錢;一個袋子裝兩塊錢,三個袋子總共還是六塊錢。

如果隨便拿兩個數字 A 和 B,用 A 乘 B 的結果永遠會和用 B 乘 A 一樣。圖/pixabay

這件事對數字永遠都成立,是千真萬確的事實。然而,我們有個很好的方法能定義出一套數學架構,其中的 AB 不等於 BA。實際上,數學家已經鑽研這個領域很多年了。

條條大路通數學

或許更驚人的是,物理學家竟然也在許多地方應用這套數學,因為某些和物理學相關的事物也是 AB 不等於 BA。矩陣就是我們表示這些東西的一種方式。現在我在倫敦大學學院為新生上的數學方法課就有介紹矩陣力學。以前我的學校制定了一套「新數學」的課綱,所以我在年僅十五歲的時候就多少認識一點矩陣了。

數學的一個矩陣是一群按照行列排列整齊的數字。把兩個矩陣 A 和 B 相乘,會得到另一個矩陣 C,方法是把對應的列和行上面的數字依序相乘。

這種矩陣聽起來可能不像某部電影裡面那掌控一切、創造虛擬實境的超級電腦一樣迷人,卻有用的多。這部電影的角色身穿黑色皮衣,還有出現著名的慢動作躲子彈鏡頭

慢動作躲子彈鏡頭。圖/giphy

我來舉個例子。

你可以用一個矩陣來描述你移動某個物體的結果。相乘的順序(AB 或 BA)在這個例子有明顯的區別。物體先在原地轉九十度再向前直直走十公尺,和先走十公尺再轉九十度,兩種移動方式最後的終點顯然不會相同。假設矩陣B代表旋轉,矩陣 A 代表直行,那麼合在一起的「旋轉後直行」就是矩陣(C = AB);這和「直行後旋轉」的矩陣(D = BA)必定不會相同。C 不等於 D,所以 AB 不等於 BA。要是 AB 和 BA 永遠相同,我們就沒辦法用矩陣來描述這類的移動過程了。正是因為矩陣的乘法不可交換―非阿貝爾,這個工具才會如此有用。

數學和真實世界密不可分

在狄拉克試圖要找出能描述高速電子的量子力學方程式時,矩陣被證實是他所需要的工具。實際上,電子有某項特性讓狄拉克不得不使用矩陣來表示它,這項特性與他描述電子自旋的語言同出一轍;所有原子的行為和元素周期表的規律,都與自旋有深刻的關聯。除此之外,這個性質也啟發狄拉克去預測有反物質的存在。

數學和真實世界之間似乎有緊密的關係,這讓我讚嘆不已。優秀的研究要能解決問題、也要能提出好的問題。而問題永遠比解答還要多,為了研究我們要付出許多的時間和金錢,因此大家得做出抉擇。數學是威力極大的工具,能幫助科學家檢查實驗數據、並從結果當中尋找最有趣的新實驗方向。就算有些方法和結論,好比矩陣及反物質,看起來可是相當古怪的。

秉持著這份精神,我要在繼續討論希格斯粒子搜索實驗之前,先繞個路來講微中子,最後這回要介紹的是一個很重要的真實結果。2012 年 3 月 7 日,中國的大亞灣核反應爐微中子實驗(DayaBay Reactor Neutrino Experiment)發表了最新的研究成果。

One of the Daya Bay detectors.圖/wikipedia

他們的實驗結果不但對標準模型影響重大,也會決定粒子物理學未來的研究走向。如果你只想要繼續讀希格斯粒子的故事,大可跳過這一段沒關係,下一節再見。但是微中子的粉絲可千萬別錯過精彩好戲了!

——本文摘自《撞出上帝的粒子:深入史上最大實驗現場》,2022 年 12 月,貓頭鷹出版,未經同意請勿轉載。

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貓頭鷹自 1992 年創立,初期以單卷式主題工具書為出版重心,逐步成為各類知識的展演舞台,尤其著力於科學科技、歷史人文與整理台灣物種等非虛構主題。以下分四項簡介:一、引介國際知名經典作品如西蒙.德.波娃《第二性》(法文譯家邱瑞鑾全文翻譯)、達爾文傳世經典《物種源始》、國際科技趨勢大師KK凱文.凱利《科技想要什麼》《必然》與《釋控》、法國史學大師巴森《從黎明到衰頹》、瑞典漢學家林西莉《漢字的故事》等。二、開發優秀中文創作品如腦科學家謝伯讓《大腦簡史》、羅一鈞《心之谷》、張隆志組織新生代未來史家撰寫《跨越世紀的信號》大系、婦運先驅顧燕翎《女性主義經典選讀》、翁佳音暨曹銘宗合著《吃的台灣史》等。三、也售出版權及翻譯稿至全世界。四、同時長期投入資源整理台灣物種,並以圖鑑形式陸續出版,如《台灣原生植物全圖鑑》計八卷九巨冊、《台灣蛇類圖鑑》、《台灣行道樹圖鑑》等,叫好又叫座。冀望讀者在愉悅中閱讀並感受知識的美好是貓頭鷹永續經營的宗旨。