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用十分鐘瞭解《線性代數、向量微積分》以及電磁學理論

陳鍾誠
・2016/03/15 ・118字 ・閱讀時間少於 1 分鐘

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陳鍾誠
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目前任教於金門大學資工系,喜歡寫「網誌、程式與電子書」,不喜歡「寫論文與接國科會計畫」。 目前除了編上課教材外,還在創造一個不需要學英文就可以透過程式翻譯和老外交談的語言 -- 八極語。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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不用數字的數學還會是數學嗎?一窺當代抽象數學的面向——《不用數字的數學》
經濟新潮社
・2022/09/26 ・2865字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 文/游森棚|臺灣師範大學數學系教授

讀者手上的書是一本非常特別的數學科普書。

這本書談的數學,會和絕大部分讀者心中的「數學」非常不一樣,也和絕大部分的數學科普書非常不一樣。一言以蔽之,這本書用淺顯的語言介紹現代高等數學中幾個抽象的核心領域:拓樸、分析、代數,最後提及數學的哲學基礎、建模與自動機。所有篇章都談「概念」,都沒有「數字」。

這本書談的數學所有篇章都談「概念」,都沒有「數字」。圖/Pixabay

沒有數字的數學是數學嗎?!

讀完初稿,不禁啞然失笑,回憶起自己年輕時在數學系的惶恐與不知所措。僅僅一個月我就發現大學的數學和高中數學「很不一樣」。高中數學範圍有限,目標是解設計好的題目:不要有計算失誤,快速地解題得到正確的答案。但是大學的數學範圍茫茫無際,大一的微積分(Calculus)與線性代數(Linear Algebra),除了像高中數學一樣的計算與解題,更多的是要求理解與論證。我在這兩門課的證明題中掙扎前行,不知不覺進了大二。

然後我就在大二的高等微積分(Analysis)與代數學(Algebra)卡關了。這兩門課是數學系真正的入門課程,幾乎沒有像高中數學一樣的計算題,而是一整片的理論。前面沒弄懂,後面就根本無法前進。簡單來說,這兩門課從課本內容、習題、到考試,全部是證明題。我可以整個下午在書桌前,只為了想弄懂從這一行到下一行的理由。一道敘述只有十幾個字的習題,可以耗掉好幾天,而且還做不出來,更糟的是書後面還沒有答案。同學們互相自嘲,一本薄薄的課本可以讀這麼久,真的太划算了。

我原以為這兩門課已經嘆為觀止,但到了大三時,修了一門更誇張的課,叫做拓樸學(Topology)。幾百頁的課本中沒有任何數字(數字只出現在頁碼、定理標號、足碼)。每星期連續幾堂課老師寫滿七、八個滿滿的黑板,可以完全不出現任何一個數字。我們一路顛簸,掙扎忍耐到快要學期末,然後老師很興奮地預告,下學期,在書本的後半,我們將會證明 Jordan Curve Theorem 這個大定理:這個定理是說,你拿筆在紙上畫一個圓,會把紙分成兩部分,「圓內」和「圓外」。台下同學一片譁然,這能不譁然嗎!我簡直矇了,那一瞬間,我覺得我在外星球上……

這是數學嗎?!

Jordan Curve Theorem 定理是說,拿筆在紙上畫一個圓,會把紙分成兩部分,「圓內」和「圓外」。圖/Pixabay

「數學」研究的是純粹的論證與推理

是的,這是數學。經過大學數學系,我知道從定義出發,純粹的論證與推理,推出夠一般的結論,是數學理論發展的步驟。而論證與推理,才是數學的核心本質。數學和其他學門非常不同,數學是一步推一步的,要下結論必須要有理由。「論證」與「推理」在數學各個不同的主題或領域上所佔的份量不盡相同,但這個本質不會改變。即使是小學的九九乘法表,三七是二十一也是有理由的。

即使是小學的九九乘法表,三七是二十一也是有理由的。圖/Pixabay

如果我們抽離出最根本的概念,數學就是在研究形狀,研究變化,研究結構,應用之以解決實際問題,資訊時代又賦予數學新的觀點與力量。

用數學專業的語言來說,數學研究形狀,就是「幾何學與拓樸學」;數學研究變化,就是「分析學」;數學研究結構,就是「代數學」;數學解決實際問題,就是「應用數學」;數學與資訊結合,就是「離散數學」。這幾個領域,就是當代數學這棵參天大樹的幾個主幹。

作者的野心藏在這本書中

這正是本書的內容。這本書的五個章節中,第一章是拓樸學(形狀),第二章是分析(變化),第三章是代數(結構),第五章是建模(應用數學與離散數學)。數學既然是一步推一步,根基是否穩固就很關鍵,這個部分穿插在第四章的基礎(數學基礎與數學哲學)。

由此可看到作者的野心非常宏大——他想要在一本小書中一網打盡介紹數學的各個主幹。這當然是不可能的,因此本書作者相當努力,在每一章中,盡量選取那些可以用口語解釋概念的主題材料。在解釋的過程中,盡可能貼近讀者的生活經驗,或是藉由各式各樣生活上的例子來讓讀者體會數學的概念。

要對一般讀者講解抽象的高等數學,細節與精確定義是不可能講清楚的。但是既然只抽離出概念,還是有機會在概念上讓讀者體會的。一個簡單的例子如下:三角形、橢圓、長方形、叉叉,這四個東西哪一個「看起來跟別人最不一樣」?很顯然就是叉叉,這個小朋友都能做。但這樣的直覺,就已經碰觸到拓樸學中的核心概念了,這正是本書第一章的第一部分要介紹的內容。所以很容易理解吧!讀者如果想學嚇人的專業術語,我來註解如下:三角形、橢圓、長方形是同胚的(homeomorphic),但是叉叉和它們不同胚。

一個簡單的例子如下:三角形、橢圓、長方形、叉叉,這四個東西哪一個「看起來跟別人最不一樣」?圖/Pixabay

書中有些材料作者介紹得非常精妙,即使以我專業數學家的眼光來看,都覺得眼睛一亮,比如對稱群、自動機、物理基本粒子等等。既然作者原來的想法就是用口語敘述介紹高層次的概念,讀者就不要有壓力,當作有趣的故事書來讀,會有驚喜的發現:重複圖案的壁紙本質上只有十七種、數學中不同的主義、連續與離散真的天差地遠……

宏觀與有趣的文筆,道出數學的精妙

最後再回到讓全班譁然的 Jordan Curve Theorem。到了研究所後我才知道為什麼這個定理這麼特別─這是平面獨有的一個特別性質。到了三維空間中的流形(manifold)事情就變得非常複雜,讀者可以查「Alexander horned sphere」看看有多詭異。至於什麼是「維度」和「流形」,可以看這本書的第一章……

我欣見這本書的出版,也佩服作者的宏觀與有趣的文筆,把數學某些本質層面藉由適當的選材呈現出來。但數學何其浩瀚,不管是哪個主幹,本書提及的材料都還只是很小的部分,茫茫數學大海,還有非常多新奇的事物。但囿於篇幅與主題限制,許多重要的領域本書沒有碰觸,是較為可惜之處。但這是我太苛求了,本書的視野和高度在數學科普書中是非常少見的,碰觸到的領域已經非常廣闊,足以讓讀者對數學有完全不同的認識與體悟。

無論如何,希望本書能開一扇門,引領有緣的讀者或未來的數學家,體會當代數學的面向,從而進入數學的嚴肅、深邃與美麗。

——本文摘自《不用數字的數學:讓我們談談數學的概念,一些你從沒想過的事……激發無窮的想像力!》,2022 年 9 月,經濟新潮社,未經同意請勿轉載。

經濟新潮社
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除了發現量子力學,普朗克還有第二個重大發現是什麼?
賴昭正_96
・2022/07/16 ・4593字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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  • 文/賴昭正 前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

(瓦特斯頓)論文的歷史說明了:… 價值不確定的文章,高度投機性的研究⎯⎯尤其是不知名的作者⎯⎯最好(先)通過科學界以外的其它渠道呈現給世界。

-瑞利爵士(Lord Rayleigh)1904年諾貝爾物理獎得主

在「抱歉了愛因斯坦,但我真的沒辦法頒獎給那個酷理論—為何相對論與諾貝爾獎擦身而過?」裡,筆者提到了 19 世紀末的物理學家曾經非常自滿地認為物理學上的基本問題都已經解決了,剩下的只是細節問題。例如 1874 年,量子師祖普朗克(Max Planck)的指導教授久利(Philipp von Jolly)就告訴他說:「在這個(物理)領域,幾乎所有的東西都已經被發現了,剩下的就是填補一些不重要的漏洞。」普朗克回答說他不想發現新的東西,只想「了解」這個領域的已知基礎。

現在我們當然知道事與願違,19 世紀末的物理不但未靜如止水,反而是刮起大風大浪的預兆。例如誰想到就在那個世紀結束前的 12 月,普朗克為「了解」靠猜測所提出來的黑體輻射公式,被「迫」提出能量量化的觀念,成了發現量子力學的第一大功臣(參見「黑體輻射光譜與量子革命」),改變了整個物理學家對客觀世界的看法。

普朗克為「了解」靠猜測所提出來的黑體輻射公式,被「迫」提出能量量化的觀念。圖/Wikipedia

而後在 20 世紀才開始不久的 1905 年,瑞士專利局最低等級的審查員愛因斯坦(Albert Einstein)更不知道從何處突然冒出一篇題爲「關於運動物體的電動力學(On the Electrodynamics of Moving Bodies)」論文,吹起了 20 世紀的第一個物理革命號角,徹底改變了統領物理界 300 多年的牛頓時空觀念。可是良馬⎯愛因斯坦這一篇論文—如果沒有遇到伯樂,它會是一匹良駒嗎?如果不會,那誰是那一篇論文的伯樂呢?

誰會是愛因斯坦的伯樂?

這篇題為「關於運動物體的電動力學」的論文事實上是很奇怪。這標題通常應是討論磁性或介電物質在電磁場中的運動特性,但愛因斯坦根本沒有分析這個主題,而是花了很多篇幅在前半部分討論:許多物理學家都認為理所當然之某些基本物理概念的性質。而論文中唯一明確討論之法拉第的電磁感應實驗,則是用當時的理論就可以充分解釋、大多數物理學家認為已不甚重要性的題目;最後建議丟棄一些廣泛使用的概念(例如「同時」及以太等)。更不尋常的是:作者是一位名不見經傳、任職於專利局的小職員,其撰寫的風格和格式都非正統,沒有引用任何當時的文獻!

愛因斯坦曾希望他當年在《物理年鑑》這傑出期刊上的大量論文能夠讓他擺脫默默無聞的三流專利審查員,獲得一些學術認可,甚至找到一份學術工作;因此在論文出版後,他妹妹後來回憶說:

「(愛因斯坦)曾努力翻閱《物理年鑑》,希望能找到對他理論的回應。……但他非常失望,出版之後(的反應)是冰冷的沉默。」

愛因斯坦寫出「關於運動物體的電動力學」受到普朗克的讚賞,圖為 1929 年愛因斯坦獲得普郎克獎(Planck medal)時,與普朗克的合影。圖/AIP

在無奈的失望中,愛因斯坦突然於 1906 年 3 月收到了第一個物理學家的反應;令他驚奇的是:這位物理學家竟然不是別人,而是當時歐洲受人尊敬的理論物理學大師普朗克!普朗克給愛因斯坦寫了一封充滿熱情洋溢的信,謂其相對論論文「立即引起了我的熱烈關注」,並將到專利局所在地伯爾尼(Bern)拜訪他!愛因斯坦當然很興奮,立即寫信告訴他以前的家教學生、合創「奧林匹亞學院(Olympia Academy)」、剛剛搬離伯爾尼的好友索洛文(Maurice Solovine):

「我的論文倍受讚賞,並引起了進一步的研究。普朗克教授最近寫信告知我此事。」

普朗克是如何成為愛因斯坦的伯樂

普朗克當時擔任《物理年鑑》編輯,在接觸到愛因斯坦那篇關於空間、時間、和光速的想法前,他事實上已經相當明白:當涉及到由不同觀察者測量的光速時,古典物理學存在一個令人討厭的問題,即測不出地球在絕對靜止之以太中的速度,迫使當時一些名物理學家到處貼補漏洞。因此當愛因斯坦大喊(開玩笑的,當時他還是一位無名小卒,怎麼敢大喊):不要再費心了,讓我們假設(在任何慣性參考系中測量的)光速為一定值,來取代「標尺和時鐘不會永遠誤導我們」之錯誤概念時,普朗克立舉雙手贊成。在其 1949 年的自傳裡,普朗克謂:

「光速之於相對論就像基本的作用量子之於量子論:光速是相對論的絕對核心。」

在該論文出版後,普朗克立即在柏林大學講授相對論!由於他的影響,這個理論很快在德國被廣泛接受,因此德國在許多方面對愛因斯坦之相對論的反應是獨一無二的;例如 1905-1911 年期間有關相對論的論文,沒有其它國家在數量上能夠與德國相媲美。在法國、英國和美國的回應中,雖然也有熱情的支持,但只有在德國才有人說「我理解愛因斯坦的研究」。但當時的「不敢苟同」聲事實上也不少;例如德國物理學家索末菲 (Arnold Sommerfeld)一大早就認為愛因斯坦的理論方法有某種猶太色彩(後來被利用成為反猶太主義者的工具),對秩序和絕對的概念缺乏應有的尊重,而且似乎沒有堅實的基礎。1902 年諾貝爾物理獎得主、荷蘭理論物理大師洛倫茲(Hendrik Lorentz)在 1907 年更寫道:

「愛因斯坦的論文雖然出色,但在我看來,這種難以理解和無法形象化的教條裡仍然存在一些幾乎不健康的東西。一位英國人幾乎不會給我們這種理論。」

普朗克顯然是第一位認識到愛因斯坦在相對論方面開創性工作的主要人物,也是愛因斯坦在科學界最忠誠的擁護者。兩人在個性上雖然非常不相似(前者非常保守,後者不理傳統),但也成為最親密的朋友。普朗克於 1906 年公開為愛因斯坦理論辯護,反對一波又一波的懷疑論者,寫信給愛因斯坦說「(我們)必須團結一致」。他將愛因斯坦的理論描述為洛倫茲理論的「延伸」(generalization),並將「洛倫茲-愛因斯坦理論」命名為現在大家所接受的「相對論」。儘管如此,普朗克還是不接受狹義相對論之無可避免的「不需要以太」結論。

普朗克不接受狹義相對論之無可避免的「不需要以太」結論。圖/wikipedia

普朗克是第一位以愛因斯坦理論為基礎來發展的物理學家。他在 1906 年春天發表的一篇文章中,證明愛因斯坦的相對論符合物理學基礎之「最小作用原理」(least action principle):任何物體(包括光)在兩點之間的移動都應該遵循最簡單的路徑,開展了如何在這個新的彈性時空中正確處理物體的動力學。

 普朗克並未履約到伯爾尼拜訪愛因斯坦,只派比他更先獲得諾貝爾獎(1914 年)的助手勞鴻(Max von Laue)於 1906 年夏天去拜訪本以為應在伯爾尼大學任教的愛因斯坦。勞鴻與愛因斯坦兩人相談甚歡,不但成為終生好友,前者在此後四年內還寫了八篇相對論論文,包括嚴格地證明了 E=mc2。愛因斯坦謂勞鴻 1911 年所寫的第一本相對論教科書「是一個小傑作,其中的一些內容是他的知識產權」,並從中學習到了一些他後來創建廣義相對論所需的張量(tensor)數學。

瓦特斯頓發展的氣體動力學

瓦特斯頓(John Waterston,1811-1883)是蘇格蘭物理學家,在印度工作期間發展了氣體動力學理論,謂氣體分子與容器表面的碰撞導致我們感受到氣體壓力,正確地推導出理想氣體定律。他於 1845 年投稿到英國皇家學會,但審稿人認為那論文「不過是胡說八道」而被拒絕出版;現在的物理學家都認為馬克斯威(James Maxwell)為氣體動力學(kinetic theory of gases)的創始者。

John James Waterston。圖/Wikipedia

瓦特斯頓去世幾年後,瑞利爵士(Lord Rayleigh,1904 年諾貝爾獎得主,當時的皇家學會秘書)從皇家學會的檔案中挖掘出那篇論文,將它重新發表於1892年的《皇家學會哲學彙刊》上。瑞利爵士警告說:。

(瓦特斯頓)論文的歷史說明了:因為科學界不願在其印刷品中記錄價值不確定的文章,高度投機性的研究⎯⎯尤其是不知名的作者⎯⎯最好(先)通過科學界以外的其它渠道呈現給世界。也許有人可能會更進一步(建議)說,一位相信自己有能力做大事的年輕作家,應該在開始更高的飛行之前,先通過範圍有限、且價值容易判斷的工作來獲得科學界的良好認可。

相信這類事件在物理學上是時常發生的。在「思考別人沒有想到的東西—誰發現量子力學?」一文裡,筆者就提到了 1924 年 6 月 4 日,一位任教於東巴基斯坦的講師波思(Satyendra Bose)將一篇被英國名《哲學雜誌》(The Philosophical Magazine)退稿的論文,轉寄給愛因斯坦,並附函謂「……如果你認為它值得發表,可否請您將它譯出(成德文),投稿到《物理學雜誌》(Zeitschrift für Physik)… 」。波思毫無疑問地是一位「不知名的作者」,那篇文章也毫無疑問地是「價值不確定,高度的投機性」!還好愛因斯坦眼光獨特,否則不但波思可能淪為另一個瓦特斯頓,量子統計力學是否會那麼早就出現就不得而知了。

結論

有歷史學家說普朗克在近代物理上有兩大貢獻,其一是發現量子力學,另外一個則是發現愛因斯坦!愛因斯坦發表那篇「價值不確定」之狹義相對論論文時也是一位「不知名的作者」,因此如果沒有普朗克慧眼識英雄,幫他推銷與辯護,愛因斯坦或許也可能淪為另一個瓦特斯頓,那篇論文可能於 1908 年在閔可夫斯基(Hermann Minkowski)的時空(spacetime)中消失[註]

有了理論物理界權威普朗克教授做後盾,愛因斯坦平步青雲、離開專利局、進入學府、及成名應只是遲早的事情。說來有趣,在「思考別人沒有想到的東西—誰發現量子力學?」一文裡,筆者談到了如果沒有愛因斯坦興風作浪,普朗克是否會成為創建近代物理的第一革命先鋒(量子力學);而在這裡我們卻在懷疑如果沒有普朗克拔刀相助,愛因斯坦是否會成為創建近代物理的第二革命先鋒(相對論)。

至於愛因斯坦是否真是首位發現狹義相對論的物理學家,則請待下回分解。

註解

事實上普朗克及愛因斯坦本人完全低估了該篇論文的創見性,認為它只是洛倫茲理論的「延伸」而已。愛因斯坦的數學老師閔可夫斯基於1908年將時間和空間組合成一個現在稱為「閔可夫斯基時空(Minkowski space或spacetime)」的嶄新觀念,奠定了相對論的數學基礎,成為現在物理學家學習、了解、與討論愛因斯坦相對論主要(唯一)工具。

延伸閱讀

賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。