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最美的11个数学方程式

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(Shutterstock/R.T.Wohlstadter)

数学方程不仅有用,许多方程都非常漂亮。许多科学家承认,他们常常喜欢特定的公式,不仅仅是因为它们的功能,而是因为它们的形式,以及它们所包含的简单、诗意的真理。

,而某些著名的公式,如阿尔伯特爱因斯坦的E=mc^2,占据了大多数公众的荣誉,许多不太熟悉的公式在科学家中都有自己的冠军。LiveScience向物理学家、天文学家和数学家询问他们最喜欢的方程;以下是我们发现的:

广义相对论

(Shutterstock/R.T.Wohlstadter)

上述方程是爱因斯坦在1915年作为他开创性的广义相对论的一部分而提出的。太空望远镜科学研究所天体物理学家马里奥·利维奥说,这一理论通过将引力描述为空间和时间结构的扭曲,彻底改变了科学家对引力的理解。

“对于我来说,一个这样的数学方程能够描述空时的本质仍然是令人惊讶的。”,他提名方程式为自己的最爱。”利维奥解释说:“爱因斯坦所有真正的天才都体现在这个方程中。”[爱因斯坦问答:测试你对天才的认识]

“这个方程的右边描述了我们宇宙的能量含量(包括推动当前宇宙加速的‘暗能量’。”左边描述了时空的几何学。这个等式反映了这样一个事实:在爱因斯坦的广义相对论中,质量和能量决定了几何学,同时也决定了曲率,这是我们称之为引力的一种表现形式揭示了时空与物质和能量之间的关系。”这个方程告诉你它们是如何联系的-太阳的存在如何扭曲时空,使地球在轨道上绕着它转,等等,它还告诉你宇宙是如何从大爆炸开始演化的,并预言会有黑洞。

标准模型

(Shutterstock/R.T.Wohlstadter)

另一个物理学的主导理论,标准模型描述了目前被认为构成我们宇宙的基本粒子的 ... 。

理论可以被封装在一个叫做标准模型拉格朗日(以18世纪法国数学家和天文学家约瑟夫·路易斯·拉格朗日命名)的主方程中,这是加州SLAC国家加速器实验室的理论物理学家兰斯·狄克逊(Lance Dixon)选择的他最喜欢的公式。

“它成功地描述了迄今为止我们在实验室观察到的所有基本粒子和力——重力除外,”狄克逊告诉LiveScience当然,这包括最近发现的希格斯玻色子,公式中的phi。它与量子力学和狭义相对论是完全自洽的。

标准模型理论还没有与广义相对论统一起来,这就是它不能描述引力的原因。[信息图表:解释了标准模型]

微积分

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前两个方程描述了我们宇宙的特定方面,另一个最受欢迎的方程可以应用于各种情况。微积分的基本定理构成了微积分这一数学 ... 的主干,并把它的两个主要思想,积分的概念和导数的概念联系起来。简单地说,

[它]说的是一个光滑连续的量的净变化,例如一个经过的距离,在给定的时间间隔内(即时间间隔终点处的量值之差)等于该量变化率的积分,即速度的积分,”Melkana Brakal说“球体,”亚当斯说,

欧拉-拉格朗日方程和诺瑟定理

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“它们非常抽象,但威力惊人,”纽约大学的克兰默说最酷的是,这种思考物理的方式在物理学的一些重大革命中幸存了下来,如量子力学、相对论等。

这里,L代表拉格朗日,它是物理系统(如弹簧、杠杆或基本粒子)中能量的量度克兰默说:“求解这个方程可以告诉你系统是如何随时间演化的。

拉格朗日方程的一个派生项叫做诺瑟定理,是20世纪德国数学家埃米·诺瑟之后的结果。”克兰默说:“这个定理对物理学和对称的作用是非常基本的,非正式地说,这个定理是,如果你的系统是对称的,那么就有一个相应的守恒定律。例如,物理学的基本定律今天和明天是一样的(时间对称)这个概念意味着能量是守恒的。这里的物理定律和外层空间的定律是一样的,这意味着动量是守恒的。对称性也许是基础物理学中的驱动概念,主要是由于[诺瑟]的贡献。

凯伦-西曼齐克方程

(Shutterstock/R.T.Wohlstadter)

“凯伦-西曼齐克“方程是1970年的一个重要的第一原理方程,对于描述量子世界中天真的期望将如何失败至关重要,”罗格斯大学的理论物理学家马特·斯特拉斯勒说,

这个方程有很多应用,包括允许物理学家估计质子和中子的质量和大小,这是组成原子核的

基本物理告诉我们,两个物体之间的引力和电力与它们之间距离的平方成反比。简单地说,强大的核力也是如此,它把质子和中子结合在一起形成原子核,把夸克结合在一起形成质子和中子。然而,微小的量子涨落可以稍微改变力对距离的依赖性,这对强大的核力有着巨大的影响。

“它阻止这种力在长距离上减小,并导致它捕获夸克并将它们结合起来形成我们世界的质子和中子,”斯特拉斯勒说卡兰-西曼齐克方程所做的是将这种戏剧性的、难以计算的效应联系起来,当[距离]大约等于一个质子的大小时,这一点很重要,当[距离]比质子小得多时,更微妙但更容易计算的效果。

最小表面方程

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最小表面方程不知怎的编码了当你将肥皂浸入肥皂时在电线边界上形成的美丽的肥皂膜威廉姆斯学院的数学家弗兰克·摩根说事实上,这个方程是“非线性”的,包括幂和导数的乘积,这是肥皂膜令人惊讶的行为的编码数学暗示。这与更常见的线性偏微分方程(如热方程、波动方程和量子物理的薛定谔方程)形成对比。

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