1928年,英国青年物理学家保罗·狄拉克提出了后来被称为"狄拉克方程"的理论,希望建立一个同时符合量子力学和狭义相对论的电子理论。分析这一方程时,他发现它不仅存在描述电子的正能量解,还不可避免地出现了另一类负能量解。
![]()
这些负能量解究竟意味着什么?起初连狄拉克自己也感到困惑,后来他大胆提出:也许它们并非毫无意义的数学结果,而是对应一种尚未被发现的新粒子,这种粒子应该与电子质量相同,却带有相反的电荷。
四年后,美国物理学家卡尔·安德森在宇宙射线实验中发现了这种粒子——正电子,也就是电子的反粒子。这是人类发现的第一种反物质粒子。
这是科学史上最神奇的时刻(之一):不是实验发现了新的理论,而是数学方程本身的答案先一步指向了尚未被观测到的自然现象。
类似的故事,在科学史上不断重演。
19世纪,出于纯粹几何问题发展起来的黎曼几何,后来成为广义相对论描述时空的语言;为研究热传导而建立的傅里叶分析,今天支撑着医学成像、通信和音频处理;最初用于讨论方程根的群论,最终进入粒子物理,成为描述基本对称性的核心工具。
为什么会这样?人类头脑中创造出的抽象数学,为什么总能在意想不到的地方,精准地描绘出真实的世界?
![]()
1960年,物理学家尤金·维格纳(三年后,他因原子核结构理论获得诺贝尔物理学奖)把这个问题写成了一篇影响深远的论文:《数学在自然科学中不可思议的有效性》。
而六十多年过去,这篇论文依然没有过时。因为维格纳所提出的问题,至今没有答案。
数学为什么会有这么大的用处?
很多人认为,数学是为了研究自然才发展出来的。
但历史上有不少重要的数学分支,走的却是相反的路径。
数学家研究许多问题,最初只是因为纯粹的好奇,而与自然现象毫无关系。
复数刚出现时,曾被许多数学家质疑它是否真实存在,认为它只是求解方程时不得不引入的一种虚构出来的数;非欧几何诞生时,被认为只是对欧几里得几何的另类游戏;矩阵、群论、拓扑、黎曼几何,都曾长期停留在纯数学领域,看不出有什么实际应用。
如果把时间拨回十九世纪,很少有人会相信:这些抽象得近乎脱离现实的理论,未来会成为现代物理的基础。
然而历史一次次证明,数学似乎总是在等待属于自己的时代。
黎曼几何等待了半个世纪,遇见了阿尔伯特·爱因斯坦;群论等待了几十年,遇见了量子物理;数论沉寂了上千年,最终成为现代密码学的根基。
数学的发展轨迹确实有点奇怪,很多分支好像是提前几十年、上百年就打下了基础,就等着后来的物理或工程需要用的时候正好用得上。真正让人费解的是,为什么这种"正好用得上"会一次又一次地发生。
数学为什么能描述自然?
维格纳首先提醒我们,不要把科学理解成对现实世界的简单复制。
现实世界充满细节。每一片树叶都有不同的纹路,每一颗石头都有不同的形状,每一滴雨雪都有不同的轨迹。
![]()
科学做的事情,却恰恰相反。它主动忽略无关细节,只保留那些能够反复出现的规律。 苹果落地、月球绕地、彗星运行,这些看似毫无关系,却都服从同一种引力规律。
数学最擅长做的,就是表达这种抽象关系。它不关心研究对象是什么,函数也不关心描述的是电流、气流还是星系,它们只关心变量之间如何变化。
因此,一套数学工具能够不断跨越不同学科,被反复使用。
但维格纳认为,这只是问题的一半。真正不可思议的,并不是数学能够描述规律,而是自然界居然存在如此丰富而稳定的规律,可以被数学描述的结构。
数学为何能解释不同现象?
科学史上还有一种现象,维格纳尤其感到惊讶:同一种数学结构,经常会出现在彼此毫不相关的领域。
描述振动的微分方程,可以研究钟摆,也可以研究电路、声波、量子系统;傅里叶分析既能分解一段音乐中的频率,也能帮助重建医学扫描图像;矩阵既可以表示空间变换和量子态,也是现代机器学习不可缺少的基础工具。
这些对象会在数学层面呈现相似的结构。原因之一是,世界虽然复杂,变化的基本方式却可能没有想象中那么多。只要不同系统具有相近的约束、对称性或演化关系,它们就可能服从形式相同的方程。
于是,一种理论可以离开它最初诞生的领域,在完全陌生的地方再次出现。数学不像一把只配一把锁的钥匙,更像一种研究结构的语言:只要结构相同,它就可以被反复使用。
数学是发明还是发现?
维格纳没有急着回答这个问题,而是把读者带向一个更古老的哲学争论。
数学究竟是什么?
一种观点认为,数学像国际象棋,是人类制定规则后形成的体系,因此它是发明。
另一种观点则认为,人类只能发现数学,而不能创造数学。就像没有人发明圆周率,也没有人创造质数。
持"发现说"的人会说:即使地球上从未出现过人类,勾股定理依然成立,欧拉公式依然成立。
如果数学是发明,那么自然为何如此配合我们的创造?如果数学是发现,那么这些数学对象又存在于哪里?
对于这些问题,维格纳没有给出答案,他只是坦率地承认:我们不知道。
这种诚实与克制,也许正是科学精神最重要的一部分。
科学为什么能够成功?
在论文结尾,维格纳写下了一句极具哲理的名言:“数学在自然科学中的巨大成功,是一份我们既不理解、也不配拥有的奇迹般的礼物。”
这绝非物理学家的谦辞,而是对科学基础最深沉的反思。
科学之所以能够存在,本身就依赖一个容易被忽略的前提:自然界是有规律的。
![]()
假如今天苹果向下落,明天随机飞向天空;假如电子每天都改变质量;假如同一个实验永远无法重复,那么再高明的数学,也无从建立科学。
科学不仅依赖人的理性,也依赖宇宙本身具有着秩序。
从这个意义上说,人类能够理解世界,本身就是一件值得惊讶的事情。
今天,我们离答案更近了吗?
今天,数学已经深入现代文明的每一个角落。
从天气预报、卫星导航,到量子计算、蛋白质结构预测,再到人工智能,这些都建立在数学模型之上。尤其是近年的大语言模型,本质上仍然运行在线性代数、概率论、优化理论和高维几何之中。
技术不断刷新我们的能力,却没有削弱维格纳的问题。恰恰相反,它让那个问题变得更加尖锐。
为什么世界能够被构建成数学模型?为什么那些看似冰冷的符号,能够预测天气、设计芯片、发现新材料,甚至帮助机器理解语言?
我们越依赖数学,就越难忽视这个疑问。
一个至今没有答案的问题
有人说,数学是一门追求确定性的学科。在证明里,只要前提明确、推理无误,结论就不容含糊。
维格纳却告诉我们,数学最深刻的地方,恰恰在于它保留了一个巨大的未知。
我们知道如何使用数学,却不知道为什么它如此有效。我们知道公式能够预测世界,却不知道世界为什么愿意对应这些公式。
这正是维格纳那篇论文历经六十多年仍被反复讨论的原因。它没有提出新的物理定律,也没有建立新的数学理论,只是让科学停下来,回头看了一眼自己脚下的地基。
![]()
法国数学家亨利·庞加莱曾表达过类似的思想:科学家探索自然,不只是因为它有用,也是因为其中蕴含着值得认识的秩序与美。
维格纳的论文,则像是在这层思想后面补上了另一层含义:数学之美,不仅来自它自身的严谨,更来自它与宇宙之间那种不可思议的契合。
我们依靠这种契合认识世界、改造世界,却至今不知道它为什么存在。
也许,这才是科学最深的秘密(之一)。
来源:遇见数学
编辑:可去奇点
转载内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
如需转载请联系原公众号
![]()
特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.