物理学与数学

郑英元

(原载《数学教学》2011年第7期)

物理学和数学是非常亲密的两个学科。许多物理学家往往都具有深厚的数学修养,甚至在数学方面有所创见。 而许多数学问题的背景是物理问题。因此,好些数学家在物理学方面也有所贡献。 牛顿(本刊2009年第6期)就是一个最好的例子,他既是数学家也是物理学家。 被誉为数学王子的高斯(本刊2010第9期)在物理学方面也多有贡献, 如:静电学中的高斯定理、电磁学中高斯单位制、光学中的高斯型谱线轮廓、实验数据的高斯误差分布等等。

下面介绍图1中几位著名物理学家的成就和他们的数学渊源。

110701

图 1(罗马尼亚邮资明信片,2003)

第一位是牛顿(Isac Newton,1642-1727,图2),他在数学方面的成就我们已经专门介绍过了。 明信片给出的公式是著名的牛顿第二定律(物体的加速度跟物体所受的合外力$F$成正比,跟物体的质量成反比, 加速度的方向跟合外力的方向相同),即:

F=ma。

110702

图 2(圣马力诺, 1982)

第二位是居里夫人(玛丽·居里,Marie Curie,1867-1934,图3是法国纪念居里夫人诞生100周年邮票和极限片), 她出生于波兰,后来移居法国,就读于巴黎大学,取得物理及数学两个硕士学位。她研究放射性现象, 发现镭(Ra)和钋(Po)两种天然放射性元素,她于1903年获得诺贝尔物理奖,1911年获得诺贝尔化学奖。

110703   110704

图 3(左);法国(1967);  图 4(右):以色列(1956)

第三位是爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955,图4),他是著名物理学家,相对论的创立者。 他为核能开发奠定了理论基础。1905年爱因斯坦发表《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》一文,认为“物体的质量可以度量其能量”, 随后导出质能公式 E=mc2。他于1921年获得诺贝尔物理学奖。

下面回顾爱因斯坦在学习数学,应用数学方面的事迹。1891年开始,他相继自学欧几里得几何学和微积分。 1912年,在他的同学、数学教授格罗斯曼帮助下,他在黎曼几何和张量分析中找到了建立广义相对论的数学工具。 他们于1913年发表了论文《广义相对论纲要和引力理论》,进一步揭示了四维空时同物质的统一关系, 指出空时不可能离开物质而独立存在,空间的结构和性质取决于物质的分布,它不是平坦的欧几里得空间, 而是弯曲的黎曼空间,从而使黎曼几何获得实在的物理意义。他于1921年在普鲁士科学院作《几何学和经验》的报告。 1925年发表《非欧几里得几何和物理学》一文。


(点击邮票小图可以显示更清晰大图)

button