谈谈数学与物理中的无穷

2021年04月02日13:36:03 科学 1754


谈谈数学与物理中的无穷 - 天天要闻

本文作者:刘瑞祥,[遇见] 这里感谢刘老师投稿支持!

有人说,数学是研究无穷(无限)的学科,或者说,只要是稍微“高深”一点的数学,就一定会遇到无穷,有道理。

经常和数学作对比的物理,是没有无穷的。我在上大学时遇到这么个问题:按照库仑定律,点电荷附近的场强是不是无穷大?老师给出的答案是否定的,因为当你非常接近所谓的“点电荷”时,“点电荷”这个物理模型已经不适用了。再比如电容器储存的电能和电荷有关,所以电容器的充放电都需要一定时间,这是因为电能不能突变(电能对时间的导数不能无限大),如此等等。

数学里存在着真正的“无穷”,可能是因为数学主要是一种“思维”游戏而不是现实的简单反映。以定积分为例,基本思路是把研究对象划分为无穷多份,每一份都无限变小,然后把这么多的小部分加在一起。这在物理上根本就说不通:当我们还远远没有达到“无穷小”的时候,物质已经变成了分子、原子以及各种说不清的“子”,哪还有原来的连续性质?所以物理课上专门发明了一个词汇——宏观无穷小,用来描述这种忽略物质不连续性的“无穷小”,也就是说,你尽管把物质看成连续的,埋头算下去,不要管物理上实际会出现的不连续。

谈谈数学与物理中的无穷 - 天天要闻

这种做法有个好处,那就是我们有时我们算有限的东西可能很难,而算无限的东西却很简单,事情有时就是这么奇怪。我再举个例子,比如我们要计算晶体内相互作用问题,显然晶体的大小是有限的,但是这样计算起来远不如把晶体看作无限大方便。自然,无穷也会带来困扰。比如若干数学悖论就和无穷有关,而悖论又不像物理中的佯谬那样可以通过实验解决。

物理上不出现“无穷”还有实际上的屏障问题,比如速度就有个天然上界,而数学上就没有这种东西。宇宙的大小,当然是更强烈的限制,而数学上不但有无穷大,还有若干不同级别的无穷大,乃至有的无穷大已经完全超出了人类的想象,没有对应物了。

谈谈数学与物理中的无穷 - 天天要闻

我国大数学家谷超豪在这本《谈谈数学中的无限》里说到自己学数学时的体验,讲到“有几项内容对我有很深刻的印象”:循环小数,平行直线可以看成为在无限远处相交,整数的全体和偶数的全体“一样多”,无限级数。作为大数学家的一本小书,比起学习解难题的技巧,作者更强调“丰富而严密的思维和想象的能力”,并希望读者从中“可以见到一些数学概念的产生的背景和过去的数学家们的创造力和想象力”。我觉得,大家读一读这样的书,比埋头刷题可能更有益处,有助于了解什么是“真正的数学”。

[遇见君]:《谈谈数学中的无限》应该有88年、2000年两版,对本书感兴趣的朋友能在各大图书馆借到,或者网上有二手书可淘到。

科学分类资讯推荐

中国交付全球最大“人造太阳”重要部件 - 天天要闻

中国交付全球最大“人造太阳”重要部件

近日,全球最大“人造太阳”国际热核聚变实验堆(ITER)计划磁体馈线采购包项目迎来关键节点,其最后一套校正场线圈内馈线部件在合肥竣工,并交付起运位于法国的ITER现场。这标志着ITER磁体馈线系统中所有超大部件的研制顺利完成。ITER磁体馈线系统由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所研制,被称为ITER磁体系...
张振丰调研温州学研究联合会 构建中国学视野下的温州学研究体系 - 天天要闻

张振丰调研温州学研究联合会 构建中国学视野下的温州学研究体系

4月13日,副省长、市委书记张振丰在温州学研究联合会调研时强调,要深入学习贯彻习近平文化思想和习近平总书记考察浙江重要讲话精神,坚持“立足温州、研究温州、服务温州”,深化时间维度、放大空间维度,贯通历史研究温州、跳出温州研究温州,努力打造温州建设高水平文化强市的重要窗口、具有全国影响力的地方学术研究的...
土拨鼠等动植物不得携带入境!关于国门生物安全,你要知道这些 - 天天要闻

土拨鼠等动植物不得携带入境!关于国门生物安全,你要知道这些

极目新闻记者 张秀娟通讯员 赵梦洁 黄晓彧 林敏“小朋友们,外来入侵物种包括哪些呢?”“在咱们出国旅游前,需注意哪些问题呢?”4月12日,在第十个全民国家安全教育日来临之际,武汉海关在武汉天河国际机场开展了一场别开生面的“海关开放日”活动。15名小学生化身“国门小卫士”,零距离体验、参与海关全民国家安全教育...
月球上跳一跳,轻松打破跳高世界纪录!这个展会,解密引力奥秘 - 天天要闻

月球上跳一跳,轻松打破跳高世界纪录!这个展会,解密引力奥秘

顶端新闻记者 杨逍 文 时硕 图如果你向往星辰宇宙,那你是否幻想过在其他星球上跳跃?在本次国防展的“星球重力”互动体验机前,你每次的纵身一跃,都会化身成屏幕中身穿宇航员服的小人,来到月球、金星、火星、火卫二、土卫一等星体上,屏幕的上方记录着你的跳跃高度。在月球,你轻轻一跃就能达到3米高度,轻松打破2.45米...
4月13日石家庄强风显著增强的原因 - 天天要闻

4月13日石家庄强风显著增强的原因

4月13日石家庄强风显著增强的原因,是多重气象条件和地理因素共同作用的结果。根据气象监测和专家分析,此次强风具有以下关键成因:一、极端天气系统的叠加效应1.
神十九乘组“太空出差”倒计时:各项空间科学实(试)验稳步推进 - 天天要闻

神十九乘组“太空出差”倒计时:各项空间科学实(试)验稳步推进

IT之家 4 月 13 日消息,据央视网报道,神舟十九号航天员乘组的“太空出差”之旅即将进入倒计时。上周,神十九乘组稳步推进各项空间科学实(试)验,在开展站内环境监测、设备检查维护等工作同时,积极开展健康维护。神十九乘组利用脑电设备开展了多项实验的测试工作,地面科研人员将利用获取的数据探究重力对视觉运动信息...
感受活力丨机器人正在进化中……这样的“生活搭子”,你喜欢吗? - 天天要闻

感受活力丨机器人正在进化中……这样的“生活搭子”,你喜欢吗?

模仿人类奔跑、跳跃、空翻,像人一样说话、思考甚至察言观色。这不是科幻电影对未来的虚构,而是2025中国机器人产业阔步向前的现实。小时候的你,是不是也曾畅想过:家里有一个机器人,能买菜、做饭、铺床、扫地,帮你干农活,还可以照顾家里老人……时至今日,这些“天马行空”的想象,正在变成现实。“12点了,您该吃药了...