物理大咖的数学谁更牛,牛顿、爱因斯坦、麦克斯韦还是杨振宁?为何?

bdqnwqk4个月前基础106

牛顿是使物理学真正走向系统化的伟大物理学家兼数学家。他建立了以牛顿三定律及万有引力定律为基础的经典力学即牛顿力学。牛顿在天文学及光学、流体力学等物理领域也有许多贡献。此外,牛顿与莱布尼茨分别创立了微积分,及用于计算的定积分牛顿莱布尼茨公式等。此外,牛顿在数学的其它领域也有许多贡献,如牛顿二项式定理等。

麦克斯韦是继牛顿以后爱因斯坦之前最著名的理论物理学家。他的最重要贡献是提出了著名的麦克斯韦电磁场方程,麦克斯韦方程指出:任何电场的变化都要在它的周围空间产生磁场。如果电场的变化是均匀的,产生的磁场就是稳定的;如果电场的变化是不均匀的,产生的磁场就是不稳定的。同样,任何磁场的变化都要在它的周围空间产生电场。如果磁场的变化是均匀的,产生的电场就是稳定的;如果磁场的变化是不均匀的,产生的电场就是不稳定的。并由此推出:一个非均匀变化的电场将在其周围空间产生一个相关的非均匀变化的磁场,而这个非均匀变化的磁场又将在其周围空间产生另一个相关的非均匀变化的电场,而这个电场又将产生磁场……依次递推,这种变化的电场和变化的磁场由近及远的传播过程就形成了电场波。正是麦克斯韦方程预言了电磁波的存在,为后来的无线电通讯等奠定了基础。麦克斯韦进一步指出:光现象是一种电磁现象,光波实际上就是一种电磁波。这样,他的电磁场理论就将电学、磁学和光学统一起来,并创立了经典电动力学。这一理论是19世纪物理学发展的最光辉的成果,也是科学史上最伟大的综合之一。此外,麦克斯韦在力学、热力学及统计物理学等方面也作出了许多重要贡献。

爱因斯坦是人所共知物理学史上最伟大的理论物理学家。他提出了精奥绝美、至今无人超越的狭义相对论及广义相对论。此外他在光电效应等方面也有重大发现。在此就不再一一列举了。

以上三位物理学家都是划时代的大师,创造了属于他们的历史。至于杨振宁则与他们不在一个数量级上,根本无法相比。

谈及对数学方面的贡献,最大者当然是牛顿。他创立的微积分学是高等数学的基础。由此引申出微分方程、积分方程、数学物理方程及场论等。微积分学现已用于自然科学的各个领域。

科学史上有几次划时代的进步,分别是牛顿开创的经典力学时代,还有麦克斯韦统一电磁学理论,爱因斯坦狭义和广义相对论,以及普朗克与玻尔和海森堡、薛定谔一起开创的量子力学,最后就是杨振宁在量子力学的框架下开创的标准粒子模型。捋一捋科学史,这四位物理大咖的数学谁更牛,通过下面叙述你不难得出结论。

牛顿,开创经典力学时代,为近代科学发展提供了最有效的工具,开辟了数学上的一个新纪元。牛顿在科学上的巨大成就,连同他朴素的唯物主义哲学观点与一套初具规模的物理学方法论体系,给物理学及整个自然科学的发展,给18世纪的工业革命、社会经济变革及机械唯物论思潮的发展,都有巨大的影响。

牛顿在科学方法论上的贡献正如他在物理学特别是力学中的贡献一样,不只是创立了某一种或两种新方法,而是形成了一套研究事物的方法论体系,在牛顿《自然哲学的数学原理》一书中集中体现了以下几种科学方法:

(1)实验——理论——应用的方法;(2)分析——综合方法;(3)归纳——演绎方法;

(4)物理——数学方法。牛顿将物理学范围中的概念和定律都“尽量用数学演出”。爱因斯坦说:“牛顿才是第一位成功地找到了,一种用公式清楚表述的基础,从这个基础出发他用数学的思维,逻辑地、定量地演绎出范围很广的现象,并且同经验相符合”,“只有微分定律的形式才能完全满足近代物理学家对因果性的要求,微分定律的明晰概念是牛顿最伟大的成就之一”。牛顿把他的书称为《自然哲学的数学原理》正好说明这一点。

微积分的创立是牛顿最卓越的数学成就。牛顿为解决运动问题,才创立这种和物理概念直接联系的数学理论的,牛顿称之为流数术。它所处理的一些具体问题,如切线问题、求积问题、瞬时速度问题以及函数的极大和极小值问题等,在牛顿前已经得到人们的研究了。但牛顿超越了前人,他站在了更高的角度,对以往分散的结论加以综合,将自古希腊以来求解无限小问题的各种技巧统一为两类普通的算法——微分和积分,并确立了这两类运算的互逆关系,从而完成了微积分发明中最关键的一步,为近代科学发展提供了最有效的工具,开辟了数学上的一个新纪元。

牛顿的一项被广泛认可的成就是广义二项式定理,它适用于任何幂。他发现了牛顿恒等式、牛顿法,分类了立方面曲线(两变量的三次多项式),为有限差理论作出了重大贡献,并首次使用了分式指数和坐标几何学得到丢番图方程的解。他用对数趋近了调和级数的部分和(这是欧拉求和公式的一个先驱),并首次有把握地使用幂级数和反转(revert)幂级数。牛顿是个十分谦虚的人,从不自高自大.曾经有人问牛顿:“你获得成功的秘诀是什么?”牛顿回答说:“假如我有一点微小成就的话,没有其它秘诀,唯有勤奋而已.”他又说:“假如我看得远些,那是因为我站在巨人们的肩上.”这些话多么意味深长啊!它生动地道出牛顿获得巨大成就的奥妙所在,这就是在前人研究成果的基础上,以献身的精神,勤奋地创造,开辟出科学的新天地.

麦克斯韦,统一电磁学詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell, 1831~1879)是英国杰出的理论物理学家、数学家,经典电动力学的创始人,统计物理学的奠基人之一,他被誉为是继法拉第之后集电磁学大成的伟大科学家,与牛顿和爱因斯坦齐名。

麦克斯韦最伟大的成就是他统一了电、磁和光只是电磁场中的现象,在十九世纪六十年代麦克斯韦提出的方程组中对此进行了描述,并且从中可以推导出光的速度,还有电磁波理论,当然这个速度和当年傅科测定的几乎一致,这也是麦克斯韦认为光就是电磁波的一个论点,尽管似乎有些无厘头,但麦克斯韦的观点是正确的。

在光学的千年发展史中,麦克斯韦创立的电磁场理论无疑是一座难以逾越的高峰。没有电磁学就没有现代光学、电工学、电子学,就不可能有电气化和通信技术,也就不可能有现代文明。

当时,法拉第发现了电磁感应现象,但是奈何他没读过书啊!数学基础很弱,但是却提出了非常独特的场与线的概念来解释电场与磁场现象。

而在那个年代却遭到了大量信服于牛顿“超距作用”观点的科学家的反对与抨击,而他自身却因为数学基础不够而无法给出最有力的证据去证明。

直到麦克斯韦,在读到了法拉第的《电学实验研究》之后,对其很感兴趣并且觉得很有道理,深受其吸引。

1855年,麦克斯韦发表了他的第一篇电磁学论文《论法拉第的力线》,对其理论进行了一些数学描述。法拉第阅读了此文章后非常开心,自己多年的愿望终于有人可以帮忙实现了。

1860年,麦克斯韦专程前往伦敦拜访了法拉第,两人一见如故。法拉第欠缺的数学才能,使得他的成果只能用直观的形式展现。而年轻的麦克斯韦不仅仅能够用数学来解释自己的看法,更重要的是能够突破法拉第的局限,电磁学开始进入新的阶段。

两人共同构筑了电磁学理论的科学体系。后来麦克斯韦的《电磁通论》问世了,该书是可以和欧几里得的《几何学原理》、牛顿的《自然哲学之数学原理》与达尔文的《物种起源》并驾齐驱的伟大著作。

该书就明确提出了表述电磁场普遍规律的四个方程,也被誉为世上最完美的方程组,即麦克斯韦方程组。该公式用简洁的数学语言,囊括了电场的高斯定律、磁场的高斯定律、法拉第的电磁感应定律以及安培定律。

麦克斯韦凭借这个方程组,也做出许多预言,比如光是一种电磁波,以及电磁波的存在。可是还没等到自己亲自验证就英年早逝了,享年48岁。一直到了1888年,年轻的德国科学家赫兹在实验中证实了电磁波的存在,麦克斯韦的理论才得以验证并被推上神坛!

爱因斯坦,开创相对论时代爱因斯坦的狭义相对论建立在前人伟大成就的基础上的,比如光速不变已经由迈克尔逊-莫雷实验说揭示,下一相对性原理已经被庞加莱所提出,尽管只是个初稿,而相对性效应则洛仑兹已经为其代劳,但这层窗户纸还是要被善于打破常规的爱因斯坦来捅破,所以爱因斯坦也是站在巨人的肩膀上。不过随狭义相对论诞生的还有质能等价方程,也有十年之后诞生的广义相对论。

尽管狭义和广义就差了一个字,但爱因斯坦独立将从匀速直线运动体系扩展到了任何运动体系下都实用,特别是将广义相对论和宇宙学结合之后所揭示的世界,是任何一个伟大的科学家所无法给予的,因为它结合观测到的现象,将宇宙的前世今生来了一个透彻的描述,人类也许从来都没有像广义相对论后了解过宇宙,所以广相给予我们的时空观是颠覆性的。

统一场论是爱因斯坦下一个目标,在这方面,数学家又显示出自己的优势。最早的尝试是大数学家外尔提出的。他首先提出了规范不变性的问题。但是,爱因斯坦从物理概念上批判外尔的理论。实际上从非欧几何出现之后,数学家已经飞跃到自由的王国,不再受现实的物理世界的束缚,而只关心数学的逻辑完整性。统一场论至今仍悬而未决,而在当时,还根本不可能了解另外两种相互作用:强相互作用和弱相互作用。

有人说,爱因斯坦的数学很差,所以搞不定广义相对论,请数学家做出来的。爱因斯坦的感叹是针对自己而言的,并不是跟其他人比。广义相对论是他独立发现的,虽然希尔伯特在爱因斯坦的启发下也写出了类似的方程,但希尔伯特承认,广义相对论的成果归功于爱因斯坦一人。40岁以后的爱因斯坦逐渐退出了物理学舞台的中央,甚至最后被主流“晾在一边”了。普遍认为是他“失去了早年对物理学真理的非凡直觉”,但更大的原因似乎是他的数学带不动他的直觉了,借派斯的话说,他“被牵着一步步走进了他自己都不能做出可靠的专业判断的领域”。

杨振宁,开创的标准粒子模型时代在2000年美国权威《自然》杂志评选出世界千年来最伟大的科学家,榜单一共20人。杨振宁就在其中,也是唯一一个还健在的科学家!与牛顿,伽利略,爱因斯坦,波尔等物理大咖齐名!

杨振宁是当代的大物理学家, 又是现代数学发展的重要推动者, 他的两项巨大成就:杨–密尔斯规范场和杨–巴克斯特方程, 成为上世纪80年代以来一系列数学研究的出发点, 其影响遍及微分几何、偏微分方程、低维拓扑、辫结理论、量子群等重大数学学科。杨振宁的几大研究,几乎奠定了整个20世纪后半叶基础物理学的总成就!

对此,诺贝尔物理奖获得者丁肇中这样评价:“提到20世纪的物理学的里程碑,我们首先想到三件事:一是相对论,二是量子力学,三是规范场。”

美国声誉卓著的鲍尓奖,在给杨振宁颁奖时评价说:“这个理论模型,已经与牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦的成就比肩,并必然将对未来产生可相提并论的影响。”

小结近两百年来,人类文明的发展因为科学而取得了巨大的跃进,同时也涌现出了许多天资卓越的科学家,尤其是在物理方面做出伟大贡献的科学家。有人说20世纪上半叶物理学的旗手是爱因斯坦,下半叶是杨振宁。而人们也喜欢把历史上涌现出的众多科学家排个名次,那么在众多物理科学家中数学成就,这四位排序应该是什么呢?笔者认为是牛顿、麦克斯韦、杨振宁、爱因斯坦,你说对不对呢。