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((⏱️=10000))你好，這裡是齊丘的思路週航。
 
今天的航行，我們繼續來講「物理之美」。
 
上次航行，我們探索了物理之美的第一章——簡單就是美。費曼以重力定律作為開場，幽默而風趣地講述了幾個物理學的原則和趣事，為後面的演講鋪上基底。
 
今天，我們繼續前進第二章，標題是：「當物理遇上數學」。
 
這一章的內容非常有趣，他詳細解說了物理學和數學這兩門學科之間的關係，他主要的觀點為：「數學作為一門邏輯嚴謹的學科，對於物理研究大有裨益。雖然兩者在各方面相差甚遠，甚至有一些基礎層面是對立的，不過兩者最終能夠相輔相成。」
 
全文雖然還有提到其他東西，但我認為這是第二章重點想探討的事情，因此我們直接來討論：「物理學和數學究竟有什麼差別？」
 
這不僅僅是一個「學科之間差異」的問題，它更深地觸及我們如何認識世界，如何捕捉自然規律，甚至如何理解「真理」本身的樣貌。
 
有人說，數學是科學的語言；有人說，數學是宇宙的骨架；也有人認為，數學只是人類的發明，並沒有在自然界中真實存在。那麼，物理與數學究竟是如何彼此依存、又如何區別開來的呢？
 
一、物理定律需依賴數學來表達，但物理不等於數學
 
首先，我們再拿牛頓的經典力學作為範例。在牛頓之前，人們或許能用哲學式的語言描述運動，例如：蘋果會掉下來、被越大顆的蘋果擊中會越痛、蘋果調到頭上後會碎裂等等。
 
但這些描述並不準確，很難讓人系統地研究這些現象。
 
但如果我們將這些現象，用數學的形式凝固下來，將使人們能夠更抽象地研究它，因此衍生出了牛段三大運動定律。
 
這些定律中的數學符號看似冷冰冰，但它們背後承載著對宇宙最深刻的洞察。假設沒有數學，牛頓也許能寫下一本觀察筆記，但那會更像亞里士多德的自然哲學——描述性的，卻無法預測或演算。
 
然而，我們不能因此說物理就是數學。
 
數學的定理可以在沒有任何物理世界的前提下成立。這是數學最令人著迷的特性之一：它的真理性不依賴於觀察、實驗，甚至不依賴於宇宙的存在本身。
 
舉例來說，歐幾里得在《幾何原本》中所建立的幾何體系，是建立在一套公理之上的邏輯推演。
 
在這個系統中，「三角形的內角和等於 180 度」是一個必然的命題，它並不需要我們去量測每一個三角形來驗證其正確性；它是從公理出發，透過演繹邏輯所導出的結果。
 
當然，這個命題的成立是建立在歐幾里得幾何的公理架構之下，非歐幾里得幾何並不在我們的討論範圍內。
 
這種真理的性質與物理定律形成鮮明對比。物理定律，例如牛頓的運動定律或愛因斯坦的相對論，雖然也具有數學形式，但它們的有效性來自於實驗的支持與自然界的回應。
 
物理理論的價值在於其能否準確描述並預測自然現象，而這種描述能力必須透過觀察與實證來檢驗。
 
如果明天整個宇宙突然毀滅，物理定律將失去其「應用場域」，而數學定理則依然「成立」——它們不需要空間、不需要時間、不需要物質，它們只依賴邏輯與公理架構。
 
簡單來說：數學追求的是邏輯必然性，而物理追求的是經驗世界的真實性。
 
二、物理重歸納、數學重演繹：兩者思維方式不同
 
這裡，我想跟你更深入地探究兩者差別。
 
在數學的進程中，往往是從少數公理出發，逐步推演出龐大的結構。歐幾里得的《幾何原本》就是典範，他從五條公設和五條公理出發，搭建出一整個演繹系統。
 
到了近代，數學家們甚至開始玩「公理化遊戲」——比如，假設第五公設不成立，會不會產生另一種幾何？結果真的產生了：非歐幾何。
 
這是一種純粹的「演繹式」精神。數學並不一定要和物理世界對應，它更像是一場「如果怎麼樣，那麼怎麼樣」的推理遊戲。
 
物理學則不同。物理往往起點不是公理，而是觀察。
 
伽利略在比薩斜塔上丟下鐵球；杜卜勒窮盡心力研究行星運動數據；法拉第在實驗室裡不斷試驗磁力線。物理學家先有一堆現象，然後嘗試歸納出規律，最後再透過數學表達出來。
 
這正是歸納與演繹的差異：
數學：從「少數前提」出發 → 推導出「必然結果」
物理：從「大量現象」出發 → 歸納出「假設性定律」
當然，物理學也不斷吸收演繹式思維。愛因斯坦提出相對論時，他其實不是先有數據，而是先有思想實驗（光速不變，等效原理），再用數學推導完整理論。
 
但在整體的發展上，兩者分別的的歸納和演繹特色可說是非常明顯。
 
三、數學可以用多種等效敘述呈現一件事，物理學則不同
 
另外，在數學中，「等效」是一個非常常見的現象。
 
舉個例子：
像是圓的面積公式可以寫成簡單的方程式，也可以透過積分的方式逐步計算出來。
 
或是一個數學定理，可以用代數語言敘述，也可以用幾何圖像表達。
 
甚至在高等數學中，「不同形式化卻等效」的現象更是屢見不鮮，甚至成為理論深化的關鍵。
 
例如微分方程的解法：同一個微分方程可以透過不同方法求解。例如，你可以使用解析技巧直接求出解函數，也可以透過拉普拉斯變換將問題轉換到頻域，化為代數方程求解後再反變換回時域。
 
這兩種方法雖然在應用上各有優勢，具體需取決於問題的性質與邊界條件，但在邏輯上是等效的。
 
換言之，數學的多樣性允許我們「從不同角度看同一件事」，而這些角度最終是等價的。
 
然而，物理世界並不是這樣。
 
在物理中，一個定律就是一個定律。你不能同時接受兩種互相矛盾的理論來描述同一個現象。這不只是語言或坐標系的差異，而是對自然本質的理解是否正確的問題。
 
牛頓認為重力是一種作用力，物體之間透過距離瞬間相互吸引；但愛因斯坦提出，重力不是力，而是時空的彎曲——一種場的幾何性質。
 
這兩種理論在本質上是衝突的，不能並存。在極端條件下（如黑洞附近或高速運動），牛頓力學的預測會失效，而相對論則能準確描述現象。這正說明了：自然只選擇一條路，而不是兩條都對的路。
 
這也是為什麼物理學家的數學表述，常常承受「唯一正確」的壓力。數學可以提供無數個等效的形式，但物理必須選出那一個與實驗吻合的版本。
 
你不能說：「我有另一種理論也能解釋重力」，如果它與觀測不符，那它就不是物理定律。
 
四、物理學家的探索方式相對數學，更偏向預測與直覺搜尋
 
最後一點差異，我認為是探索世界的方式：
 
數學家追求的是嚴密的證明，邏輯上沒有漏洞。假如某個定理缺少嚴格證明，那麼它暫時不能算是「數學」。
 
但物理學家不一樣，他們常常先憑直覺走在前頭，證明與否暫時不是首要任務。
 
例如：狄拉克方程。狄拉克在1928年寫下這個方程式，本意是要結合相對論與量子力學。
 
結果這個方程意外地「預測」了反物質的存在。當時並沒有人在實驗室看到正電子，但方程式裡「自動」冒出來。幾年後，安德森真的在宇宙射線中發現了正電子。
 
這種現象，數學世界裡幾乎難以想像。數學家不會因為某個公式「暗示了」某個物件存在，就當作真實。可是物理學家卻敢依靠直覺與數學結構，去預測世界可能的樣貌。
再舉一個例子：上次航行我們有提到「落後的木星」的例子，這裡為大家複習一下：
 
17世紀的天文學家奧勒·羅默。他在巴黎天文台觀測木星的衛星——木衛一，發現他的「掩食」現象。
 
羅默注意到：當地球靠近木星時，掩食現象比預測早發生；當地球遠離木星時，則晚發生。這種時間差最多可達8至10分鐘。他推論，這不是木衛一「遲到」，而是光需要時間才能從木衛一傳到地球。
 
這不僅是一次天文學上的突破，更是一場哲學上的革命。羅默讓人類第一次意識到：光不是瞬間傳播的，它有速度。而這一發現，源自他對重力運行規律的信心與對自然現象的敏銳觀察。
 
因此我們可以說：數學像是築牆，而物理更像是探路。

 數學家關心牆體的結構是否嚴密；物理學家則拿著數學做的火把，往黑暗的自然深處探索。
 
五、欣賞自然之美，必須學習其語言——數學
最後，我想談一個更人文的角度：美感。
 
物理學家們常常強調，數學之所以是物理的語言，不只是因為它精確，更因為它優雅。
 
愛因斯坦曾說：「最不可思議的事，是宇宙居然可以被人類理解。」這句話深藏著一種敬畏。
 
當我們看見馬克士威方程組，四條簡潔的公式竟能涵蓋電磁世界的所有現象；當我們看見愛因斯坦的質能方程 ，短短三個符號卻揭示能量與質量的深刻同一性——我們不得不承認，數學是大自然的詩歌。
 
如果說音樂是用音符組成的美，那麼物理的美就是用數學組成的。
 
因此我自己認為，學習數學，不僅是為了「學業需求」，更是為了能聽懂自然的語言。
 
正如同一個人如果不懂樂理，或許仍能欣賞旋律，但他無法真正理解交響曲中的結構與深意。
 
同樣，若我們不懂數學，就只能停留在「自然很壯麗」的直觀，而無法體會方程式背後那種秩序與和諧。
 
好了，今天的航行，我主要和你分享了物理學和數學之間浪漫的關係。 最後我給你留個問題：「物理需要數學來表達，但數學本身卻可以完全獨立存在。因此，你認為數學是人類的「發明」，還是宇宙的「發現」？」。
 
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祝快樂，2025年9月5日

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