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TUhjnbcbe - 2021/5/27 20:12:00
有史以来最伟大的方程写在前面的话

本文译自RobertPCrease所撰写的Thegreatestequationsever一文,发表在PhysicsWorld,,17(10):14-–15上,为同年5月份作者请读者为“有史以来最伟大的方程”的投票结果。因为看到网上有不同的版本,特意翻译出来分享。特别的是,作为教授电动力学的老师,怎能容忍其他方程排在麦克斯韦方程组的前面(嘿嘿!)。翻译目的为分享知识,欢迎指正。如有侵权,请告知删除。点击文末原文链接可以阅读英文原文。

麦克斯韦的电磁学方程和欧拉方程在有史以来最伟大的方程的投票中名列前茅。RobertPCrease讨论了他的读者调查结果。

今年早些时候,我请读者把他们心目中的伟大方程的名单发给我。我还请他们解释为什么他们提名的方程属于伟大之列,并且如果有的话,为什么方程所涉及的主题很重要(PhysicsWorld,5月刊,第19页)。我收到了大约份回复—包括单个候选方程和方程名单—其中推荐了大约50个不同的方程。这些方程包括从显而易见的经典方程到“被忽视”的候选方程,从个人喜好到被调查者自己发明的方程。

有几个人询问了公式、定理和我所谓的方程之间的区别。一般来说,我认为公式是遵循句法规则的东西。从这个意义上说,

是一个公式,而

也是。相反,定理是从更基本的原理中得出的结论—毕达哥拉斯定理就是一个很好的例子。严格意义上的方程通常是一个公式,它说明所观察到的事实,因此从经验上来说是正确的。描述可见光谱巴尔末线系(Balmerseries)的方程是一个很好的例子,体现实验室中观察到的反应的化学方程也是一个很好的例子。

然而,这些区别其实并不那么清晰。许多经典的物理方程—包括

和薛定谔方程—都不是从关于观察的表述中得到的结论。相反,它们是基于其他方程和信息推理得出的结论;因此它们更像定理。定理可以像方程,因为其具有很强的经验成分和价值。

因此,将这两种归类为方程是有意义的,这正是曼彻斯特大学的被调查者DavidWalton所做的。他区分了由公理模型构成的方程(如

)和近似模型(如胡克定律)构成的方程,公理模型“定义了所有情况下不同的可观测值之间的相互关系”,而近似模型则定义了“定义范围内在一定精度下不同的可观测值之间的相互关系”。因此,我对“方程”一词的解释是宽松的。

坐头把交椅(firstamongequals)的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(JamesClerkMaxwell)。简单

被调查者有许多不同的标准来衡量方程的伟大。半打人(Halfadozen)对方程的简单印象深刻,他们推荐了

加拿大卡尔加里(Calgary)的RichardHarrison写到:“我知道其他方程做得更多,表达了更强大的力量,对宇宙有更广泛的理解,”“但是最简单的那种事物的美是值得一提的。”他回忆起他教儿子的第一个方程是

。“我记得(他)在学习这个表达式的时候举起两只手的食指,以及当他看到被全身分开的两个手指可以在脑海中结合成一个概念时那惊奇的一刻。”

NeilBlackie也支持

。“为了使这个方程得以存在,必须发明一种表示物理现实的方法,数量必须被命名和给予符号,”他论证到。“必须有一个体系来显示这些数量是如何组合在一起或分开的。写下这个方程使我们有能力呈现想法,讨论概念,从而形成一个不断扩大的知识领域。”

其他被推荐的简单方程包括

,这是埃德温·哈勃(EdwinHubble)在年提出的,它用来描述星系以一定的速度

远离我们,这个速度与星系间的距离

成正比,其中

是哈勃常数。位于马其顿斯科普里的物理研究所的本科生BalagojPetrusev推荐

形式的哈密顿变分原理。对

形式的恰当选择清楚地表明“在经典力学、经典电动力学、相对论力学、非相对论量子力学等领域都适用的普遍原理”。事实上,肯特大学的AndyHone上个月在PhysicsWorld上写了了一篇赞颂这个方程的文章(9月刊,第64页)。

一个伟大方程的统一力量并不像听起来那么简单。一个伟大方程所做的不仅仅是阐述宇宙的一个基本属性,像路标那样传递信息,而是努力从自然那里获取什么。如布里斯托尔大学的MichaelBerry曾经谈到电子的狄拉克方程时说道:“任何伟大的物理理论的回馈都大于投入,其意义在于除了解决激发方程被构建的问题外,它还解释了更多的现象,并预言新的事物”(PhysicsWorld,年,2月刊,第38页)。

伟大的方程改变了我们感知世界的方式。它们重新编排了这个世界—通过重新定义什么应该与什么在一起改变并重新整合了我们的观念。光和波。能量和质量。概率和位置。而它们这样做的方式往往显得出人意料甚至奇怪。

基于这个原因,一些被调查者推荐了一些方程,它们联系两个或两个以上不同的概念,具体和抽象的,有形的和无形的。其中包括玻耳兹曼方程

。它把熵

(19世纪早期热力学发展过程中出现的概念)和一个纯粹抽象的量

联系起来(

是在对具有许多自由度的系统的统计处理中出现的)。另一位被调查者写道,布拉格方程

“将衍射斑(可见的现实)与潜在的晶体结构(不可见的现实)联系起来,用标准教科书上的图片就很容易进行想象。”

最常提到的方程之一是欧拉方程

。被调查者称之为“有史以来最深刻的数学表述”;“不可思议和令人赞叹”;“充满宇宙之美”和“令人震憾”。另一个被调查者问道:“有什么比一个虚数和实数相互作用而不产生任何东西更神秘呢?“这个方程中包含九个基本数学概念—一次且仅一次在一个表达式中。这些概念是:

(自然对数的底);指数运算;

;加法(或减法,取决于你怎么写);乘法;虚数;等于;一;和零。

实用性

许多被调查者对那些对人类生活有实际影响的方程印象深刻。这些方程包括:复利(

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