數學 "証明" 在物理中的地位

看板Physics作者時間20年前 (2003/09/18 18:32), 編輯推噓0(000)
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看到板上吵了那麼久,覺得有點煩 趁現在發懶不想做事時,寫一寫我的想法好了 ---------- 所謂數學証明,在十九世紀末二十世紀初的一場轟轟烈烈的蛙鼠大戰後 幾乎算是已經定案下來了 從數學邏輯的角度觀之,所謂的 "証明",幾乎都是在反覆重覆以下的步驟: "給定前題,假設前題成立的話,我們可以証明什麼什麼也必須成立" 換句話說,一個 "合理的証明",主要是看証明的過程,是否出現邏輯漏洞 在十九世紀末二十世紀那段時間數理邏輯學的發展 所有的數學証明,都可以完全翻譯成全由邏輯符號表達 且符號排列完全符合一套數理邏輯的機械規則 (換句話說,你可以寫程式,檢驗証明過程是否符合邏輯) 數理邏輯並不在意你所使用的 "前題" 倒底是什麼 到底前題合不合用,符不符合實際狀況,那是另一個層次的問題 你隨時隨地可以根據自己的需求,打造一個自己使用的 "前題" -------------------- 以近代數學來說,整個理論建築是架構在少數的幾個前提下 這有一個專有術語,叫做 "公設系統" 我們不証明這些公設是對是錯,它們是由我們所 "感受" 的 我們只說,假設這些公設是對的,那麼由這些公設所推導出來的理論也是對的 當然,我們並不須完全依循這些公設 事實上,如果有必要,每個人都可以自行弄出一套自己的公設系統 (當然,公設系統有所謂一致性與完備性的問題) 在歷史上,這件事也時常發生 例如 Lobachevskii 與 Bolyai 的非歐幾何,就是弄出另一套公設系統 (不同的公理系統有時可以互相對應,這種高等的技巧屬模型論的範圍 我就不再繼續深入探討) -------------------- 我們目前經常看到所謂的 "數學証明" 為何就直接講這是對的這是錯的? 對錯不是要看所採用的公設系統嗎? 這句話說得沒錯,所謂 "對" "錯" 全都要看你的公設系統為何 不過,數學在長時間發展下來,幾乎所有數學家所使用的公設系統都幾乎相同 當你開口與另一位數學家交談,或是筆談,或者發表論文時 除非特別說明,不然大家都是以彼此心中默認的那個公設系統為基礎 這樣,就不難理解數學家口中的 "對" "錯" 倒底代表什麼涵義 -------------------- 相較於數學,物理也有所謂的公設系統 只不過,物理的公設系統限制條件有點嚴格 數學的公設系統可以非常天馬行空自由自在 但,物理的公設系統就不允許你隨便亂玩 簡單一句,就是物理的公設系統必須滿足自然界的現實 就拿以太與狹義相對論比較 你可以以以太為公設,推導出完全符合邏輯的以太電磁學 你也可以以光速恆定為公設,推導出完全符合邏輯的相對論電磁學 而這兩種電磁學的取捨,則是取決於何者能符合實驗觀測 因為有實驗,有觀測,所以,我們就多了一些篩選所謂 "對" "錯" 的準則 假設你所使用的公設是對的,那麼,無論是公設本身 還是由公設出發所作的所有邏輯推導,無一不漏全部都要符合實驗觀測 在這之中,其中只要有一項與實驗觀測不符,那麼,這個公設就是錯的 因為你使用公設 P,你由數理邏輯推導可得到 P => Q 但由於實驗觀測,發現 Q 不成立,由於 not Q => not P(與 P => Q 邏輯等同) 換句話說,P 也不成立 這個相當常見的邏輯等式--反証法 其實主宰了很多物理理論的發展,這是用來把不合格物理理論踢掉的工具 舉個例子,現在的物理理論都以是光速恆定為公設 但我們可以由光速恆定一事,推導出恆定的精密結構常數(約 1/137) 如果我們觀察到精密結構常數並非恆定,那麼光速恆定的公設也就是不正確的 這件事在一兩年前的天文觀測有發生過,板上也有很多人討論此事 不過這件事的下文我就不清楚了(証據還不夠充分) 如果,我們有足夠的証據,精密結構常數並非定值的話 那所引起的理論大地震是可想而知的 另一個例子,就是前一陣子在板上炒得很熱的 B-meson CP-violation 因為它開啟了一個將 QCD 翻掉的可能性 -------------------- 那我們要怎麼確認一個物理公設是否正確? 答案是,沒有辦法,沒錯,就是如此悲觀 因為,我們今天只能利用邏輯的反証法,一一把不合格的物理理論踢掉 今天某一物理公設還存在於教科書中,並不是因為它是正確的 而是,我們目前仍未找到實驗觀測上的証據,把這個理論踢出去 我們能保証這條物理公設,在二十年後不被某次的實驗觀測踢屁股嗎? 連光速恆定一事,都很有機會被踢屁股了~~~~ 也就是說,這些還留在教科書中的物理公設 其實是在眾多的淘汰者裡頭,苟延殘喘地留下來 而且,隨時隨地都有可能在未來的某次實驗被踢出去 比如,主宰了數百年的牛頓力學, 它說明行星繞太陽的軌道一定是不偏不倚地橢圓(忽略其它行星引力的擾動) 但真實的天文觀測,卻發現水星的進日點有 "進動" 的現像 換句話說,水星繞日一周,並不會形成一個封閉的橢圓 且它進動的程度遠大於其它行星引力擾動的影響 當然,後來知道,水星軌道的進動其實是受了太陽引力場的廣義相對論效應影響 我們可以藉由此次觀測,說明牛頓力學並非完全正確的 它只適用於在一些場合的近似罷了 在物理上,我們永遠都不說什麼什麼是對的 我們只說,什麼什麼比較適用 因為,你永遠無法証明某某物理公設一定永遠正確無誤 換句話說,合用的物理公設系統,是會隨著時間而改變的 以極端的觀點來看,在物理上,並沒有所謂的 "証明" 你所有的,只是一次又一次利用實驗觀測 "反証" -------------------- 其實,數理邏輯的推導,放到物理上來看,會變得相當多釆多姿 最佳的例子其實就是量子電動力學的發展 量子電動力學也有它的公設系統(就是那些 commutator,或 propagator 之類的) 以這些東西為出發點,我們當然可以推導出許多東西來 只不過推導過程比較好玩,從純數學的角度來看 當初在發展時,所使用的推導過程並不怎麼合邏輯 這些有關無窮大重整化的技巧,在許多人眼中看起來就很髒 這一點其實有其歷史因素存在 因為,在當時的環境,所能使用的數學工具遠遠不足 但是物理學家等不及數學家慢慢把這些數學工具磨出來 所以就自己想辦法搞出自己一套還還是勉強可用 但看起來就是不合邏輯的數學工具 物理學家自己當然知道這種狀況,但是,在當時除此之外也沒有其它方法 事實上,這件事情則是等到重整化群的發展 漸漸地將原本很髒的東西邏輯合理化 其實,場論的發展,也帶來很多數學研究題材 事實上,甚至物理學家 Witten 都可以因此拿到 Fields Medal -- 世界盃賽後日韓聯合記者會: 日:我們拿到第四名比你們第六名好 韓:今年亞洲盃我們亞軍比你們季軍好 日:我們只被陳金鋒打兩支安打,你們四支 韓:我們只被陳金鋒打一支全壘打,你們兩支 日:我們只被張誌家5K,你們被12K 韓:我們打出六支安打,你們只有五支 日:我們只被中華隊得三分,你們被得五分 韓:我們從張誌家手中得一分,你們被完封 -- ※ Origin: 臺大電機 Maxwell 站 ◆ From: 61.230.0.157
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