撰文丨馬里奧 · 利維奧（Mario Livio） 

翻譯丨郭凱聲

科學(xué)家能夠推導(dǎo)出描述亞原子現(xiàn)象的公式，工程師可以計算出航天器的飛行軌跡，皆得益于數(shù)學(xué)的魅力。伽利略第一個站出來力挺“數(shù)學(xué)乃科學(xué)之語言”這一觀點，而我們也接受了他的看法，并期望用數(shù)學(xué)的語法來解釋實驗結(jié)果，乃至預(yù)測新的現(xiàn)象。不管怎么說，數(shù)學(xué)的神通都令人瞠目。

看看蘇格蘭物理學(xué)家麥克斯韋（James Clerk Maxwell）那個著名的方程組吧。麥克斯韋方程組的4個方程，不僅囊括了19世紀(jì)60年代時所有已知的電磁學(xué)知識，而且還預(yù)測了無線電波的存在，此后又過了差不多20年，德國物理學(xué)家赫茲（Heinrich Hertz）才通過實驗探測到電磁波。能夠?qū)⑷绱撕Ａ康男畔⒁詷O其簡練、精準(zhǔn)的方式表述出來的語言，可謂鳳毛麟角。無怪乎愛因斯坦會發(fā)出這樣的感嘆：“數(shù)學(xué)本是人類思維的產(chǎn)物，與實際經(jīng)驗無關(guān)，緣何卻能與具有物理現(xiàn)實性的種種客體吻合得如此完美，令人叫絕呢？”

1960年，諾貝爾獎得主、物理學(xué)家尤金·魏格納（Eugene Wigner）以“有用得說不通”來闡述數(shù)學(xué)的偉大，而作為一位活躍的理論天體物理學(xué)家，我在工作中也感同身受。無論我是想要弄清名為Ia型超新星（Ia supernovae）的恒星爆炸產(chǎn)生自哪種前身天體系統(tǒng)，還是推測當(dāng)太陽最終變成紅巨星時地球的命運，我使用的工具以及所建立的模型都屬于數(shù)學(xué)范疇。數(shù)學(xué)對自然界的詮釋是如此不可思議，令我在整個職業(yè)生涯中為之神魂顛倒。

這道難題的核心，在于數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、哲學(xué)家及認(rèn)知科學(xué)家多少世紀(jì)以來一直爭論的一個話題：數(shù)學(xué)究竟是如愛因斯坦所堅信的那樣，是人們發(fā)明出來的一套工具，還是本來就已經(jīng)存在于抽象世界中，不過被人發(fā)現(xiàn)了而已？愛因斯坦的觀點源自于所謂形式主義（Formalism）學(xué)派，許多偉大的數(shù)學(xué)家，包括大衛(wèi)·希爾伯特（David Hilbert）、格奧爾格·康托爾（Georg Cantor），以及布爾巴基學(xué)派的數(shù)學(xué)家，都與愛因斯坦看法一致。但其他一些杰出精英，如戈弗雷·哈羅德·哈代（Godfrey Harold Hardy）、羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）以及庫爾特·哥德爾（Kurt G?del），則持相反觀點，他們信奉柏拉圖主義（Platonism）。

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這場有關(guān)數(shù)學(xué)本性的辯論如今仍然火爆，似乎難以找到明確的答案。我認(rèn)為，如果只是單純地糾結(jié)于數(shù)學(xué)是被發(fā)明還是被發(fā)現(xiàn)的這個問題，或許會忽視另一個更為糾結(jié)復(fù)雜的答案：兩者都起著關(guān)鍵作用。我推想，將這兩方面因素結(jié)合起來，應(yīng)該能解釋數(shù)學(xué)的魅力。發(fā)明與發(fā)現(xiàn)并非勢不兩立；雖然消除它們之間的對立并不能完全解釋數(shù)學(xué)的神奇效能，但鑒于這個問題實在是太深奧，即使僅僅是朝著解決問題的方向邁出一小步，也算是有所進展了。

發(fā)明與發(fā)現(xiàn)并重

數(shù)學(xué)“不合理”的神奇功效通過兩種截然不同的方式體現(xiàn)出來，依我看其中一種可稱為主動方式，另一種可稱為被動方式。有時，科學(xué)家會針對現(xiàn)實世界中的現(xiàn)象專門打造一些方法來進行定量研究。例如，牛頓創(chuàng)立微積分學(xué)，就是為了了解運動與變化的規(guī)律，其方法就是把運動和變化的過程分解為一系列逐幀演化的無窮小片斷。這類主動的發(fā)明，自然非常有效率，因為它們都是針對需要定向打造的。

不過，它們在某些情況下所達到的精度更讓人嘖嘖稱奇。以量子電動力學(xué)（quantum electrodynamics）這個專門為描述光與物質(zhì)相互作用而建立起來的數(shù)學(xué)理論為例。當(dāng)科學(xué)家運用此理論來計算電子的磁矩時，理論值與實驗結(jié)果幾乎完全吻合，誤差僅有十億分之幾。

還有更令人驚訝的事實。有時，數(shù)學(xué)家在開創(chuàng)一個個完整的研究領(lǐng)域時，根本沒想過它們會起的作用。然而過了幾十年，甚至若干世紀(jì)后，物理學(xué)家才發(fā)現(xiàn)，正是這些數(shù)學(xué)分支能夠圓滿詮釋他們的觀測結(jié)果。這類能體現(xiàn)數(shù)學(xué)“被動效力”的實例不可勝數(shù)。

比如，法國數(shù)學(xué)家伽羅華（évariste Galois）在19世紀(jì)初期建立群論時，只是想要弄清高次代數(shù)方程可否用根式求解。廣義地說，群是一類由特定范圍的若干元素（例如整數(shù)）組成的代數(shù)結(jié)構(gòu)，它們能夠進行特定的代數(shù)運算（例如加法），并滿足若干具體的條件（其中一個條件是存在單位元，拿整數(shù)加群來說，單位元就是0，它與任何整數(shù)相加，仍然得到這個整數(shù)本身）。

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但在20世紀(jì)的物理學(xué)中，這個相當(dāng)抽象的理論竟然衍生出了最有成效的基本粒子分類方法（基本粒子是物質(zhì)的最小結(jié)構(gòu)單元）。20世紀(jì)60年代，物理學(xué)家默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和尤瓦爾·尼曼（Yuval Ne'eman）各自證明，一個名為SU（3）的特殊的群反映了所謂強子這類亞原子粒子的某項特性，而正是群與基本粒子之間的這一聯(lián)系，最終為描述原子核是如何結(jié)合的現(xiàn)代理論奠定了基礎(chǔ)。

對結(jié)的研究，是數(shù)學(xué)顯示被動效力的又一個精彩實例。數(shù)學(xué)上的結(jié)與日常生活中的結(jié)頗為相似，只是沒有松開的端頭。19世紀(jì)60年代，開爾文爵士希望用有結(jié)的以太管來描述原子。他的模型搞錯了方向，跟實際情況基本掛不上鉤，但數(shù)學(xué)家們?nèi)宰巫尾痪氲貙Y(jié)繼續(xù)進行了數(shù)十年的分析，只不過是把它當(dāng)作一個非常深奧的純數(shù)學(xué)問題來研究。

令人驚訝的是，后來結(jié)理論竟然為我們提供了對弦論（string theory）和圈量子引力（loop quantum gravity）的若干重要見解，它們正是我們眼下為構(gòu)建一個能夠使量子力學(xué)和廣義相對論和諧統(tǒng)一的時空理論的最好嘗試。英國數(shù)學(xué)家哈代（Hardy）在數(shù)論領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)與此也有異曲同工之妙。哈代為推動密碼學(xué)研究立下了汗馬功勞，盡管他本人先前曾斷言，“任何人都還沒有發(fā)現(xiàn)數(shù)論可以為打仗這回事派上什么用場”。

此外，1854年，黎曼（Bernhard Riemann）率先描述了非歐幾何——這種幾何具有某些奇妙特性，例如平行線可能相交。半個多世紀(jì)后，愛因斯坦正是借助于非歐幾何創(chuàng)立了廣義相對論。

一種模式浮現(xiàn)出來：人們對周圍世界的各種元素——包括圖形、線條、集合、群組等——進行抽象概括后，發(fā)明出各種數(shù)學(xué)概念，有時出于某種具體目的，有時則純粹為了好玩。他們接下來會努力尋找這些概念之間的聯(lián)系。這一發(fā)明與發(fā)現(xiàn)的過程是人為的，與柏拉圖主義標(biāo)榜的那種發(fā)現(xiàn)不同，因此，我們創(chuàng)立的數(shù)學(xué)歸根結(jié)底取決于我們的知覺過程以及我們能構(gòu)想出的心理場景。例如，我們?nèi)祟惥哂兴^“感數(shù)”（subitizing）的天賦，可以一眼識別出數(shù)量，毫無疑問，這種本能催生了數(shù)字的概念。

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我們非常擅長于感知各個物體的邊緣，并且善于區(qū)分直線與曲線，以及形狀不同的圖形，如圓和橢圓等?；蛟S，正是這些本能促進了算術(shù)與幾何學(xué)的興起和發(fā)展。同理，人類無數(shù)次反復(fù)經(jīng)歷的各種因果關(guān)系，對于邏輯的創(chuàng)立至少也起了部分作用，并產(chǎn)生以下認(rèn)識：根據(jù)某些陳述，我們可以推斷出其他一些陳述的正確性。

選擇與進化

邁克爾·阿提亞（Michael Atiyah）是20世紀(jì)最杰出的數(shù)學(xué)家之一，他曾通過一項非常巧妙的假想實驗來揭示我們掌握的數(shù)學(xué)概念是如何受知覺影響的——甚至連數(shù)字這類最基本的概念也不例外。德國數(shù)學(xué)家克羅內(nèi)克（Leopold Kronecker）有一句名言：“上帝創(chuàng)造了整數(shù)，其余都是人做的工作。”

但我們可以想象，如果世界上有智力的不是人類，而是一種生活在太平洋底與世隔絕的奇異水母，在它們周圍，從海水的流動到海水溫度與壓力，都是連綿不斷的。在這樣一個找不到什么獨特個體，也就是不存在任何離散性元素的環(huán)境里，數(shù)字的概念有機會破繭而出嗎？如果沒有什么東西可以讓你去數(shù)，那還會有數(shù)字存在嗎？

同水母一樣，我們也要采用能夠適合于自己所在環(huán)境的數(shù)學(xué)工具——毫無疑問，數(shù)學(xué)正是因此而顯得神通廣大?？茖W(xué)家并非隨心所欲地選擇分析工具，而是根據(jù)它們是否能準(zhǔn)確預(yù)測實驗結(jié)果來作出選擇的。當(dāng)網(wǎng)球發(fā)球機吐球時，你可以用自然數(shù)1、2、3依次標(biāo)示向外蹦出的球。不過，消防員噴水救火時，要想對水流作出有意義的描述，就得用體積或重量之類的概念了。

同樣道理，各種亞原子粒子在粒子加速器中碰撞時，物理學(xué)家也是用能量及動量之類的指標(biāo)，而不是用最終到底有多少粒子來評估碰撞。最終粒子數(shù)只能給出有關(guān)原始粒子碰撞過程的部分信息，因為在這一過程中可能還有其他粒子產(chǎn)生。只有最出色的模型才能歷經(jīng)時間的考驗。而那些失意的模型，比如笛卡爾用宇宙物質(zhì)旋渦來描述行星運動的嘗試，就夭折了。反觀成功的模型，則會隨著新信息的出現(xiàn)而逐步改進。

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例如，當(dāng)人們對水星這顆行星的進動獲得了極其精確的測量結(jié)果后，就必須用愛因斯坦的廣義相對論來徹底改造牛頓的引力理論，才能對最新測量結(jié)果作出圓滿解釋。任何一種行之有效的數(shù)學(xué)概念，壽命都是很長的。比如，早在公元前250年左右，阿基米德就已經(jīng)證明了球體表面積的公式，而直到今天，這個公式也跟當(dāng)年一樣站得住腳。因此，任何時代的科學(xué)家都有一個極其龐大的數(shù)學(xué)公式寶庫供其搜索，從中找出最適合的方法來使用。

科學(xué)家不僅在尋求答案，他們常常也挑選適合于用數(shù)學(xué)處理的問題。然而，有一大批現(xiàn)象不可能作出精確的數(shù)學(xué)預(yù)測，有時甚至原則上就是不可預(yù)測的。例如，在經(jīng)濟學(xué)中，許多變量——比方說民眾心理素質(zhì)的詳細(xì)情況——不適宜作定量分析。

任何理論的預(yù)測價值，均取決于各變量之間基礎(chǔ)關(guān)系是否恒定。我們的分析也無法徹底解讀會產(chǎn)生混沌的系統(tǒng)（在這類系統(tǒng)中，只要初始條件有極其微小的變化，都可能導(dǎo)致最終結(jié)果完全不同，因而無法進行長期預(yù)測）。數(shù)學(xué)家們創(chuàng)立了統(tǒng)計學(xué)和概率論來彌補上述缺陷，但眾所周知，奧地利邏輯學(xué)家?guī)鞝柼亍じ绲聽栐缫炎C明，數(shù)學(xué)本身是存在著固有局限性的。

自然界的對稱性

數(shù)學(xué)能如此成功地詮釋自然法則，精心挑選問題與答案僅是原因之一。這樣的法則首先必須存在，數(shù)學(xué)才有用武之地。對數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家來說，幸運的是我們這個宇宙看起來是被一些亙古不變的自然法則所支配的。決定宇宙最初結(jié)構(gòu)的引力，同樣也左右著今天的星系。為了解釋這種以不變應(yīng)萬變的現(xiàn)象，數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家發(fā)明了對稱性的概念。

物理學(xué)定律似乎都蘊含著相對于空間和時間的對稱性。無論在何時何地，從什么角度來查看這些定律，它們都是不變的。此外，物理學(xué)定律對于所有觀察者都是一視同仁的，無論這些觀察者是處于靜止?fàn)顟B(tài)，還是在做勻速運動或加速運動。

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因此，無論我們在哪里做實驗，中國也好，美國也好，乃至在仙女座大星云也好，也無論我們是今天做這個實驗，還是10億年后由另外某個人來做實驗，都可以用同樣的物理學(xué)定律來解釋實驗結(jié)果。如果宇宙不具有這種對稱性，那我們想要破解大自然宏偉設(shè)計的努力——也就是根據(jù)我們的觀測結(jié)果建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型——可就要無功而返了，因為那樣我們就得針對時空中的每個點，不斷反復(fù)實驗。

而在描述亞原子粒子的物理學(xué)定律中，則是另一類更復(fù)雜的對稱性，即規(guī)范對稱性占據(jù)主導(dǎo)地位。由于量子世界的模糊性，某一給定粒子既可以是帶負(fù)電的電子，也可以是不帶電的中微子，還可以是二者的疊加態(tài)，除非我們測量了電荷，明確區(qū)分出它到底是電子還是中微子。

其實，如果我們把電子換成中微子，或者換成兩者的任何一個疊加態(tài)，自然界的法則依舊保持同一形式。換成其他基本粒子，情況也仍然如此。沒有這種規(guī)范對稱性，我們要建立一個有關(guān)宇宙基本運作原理的理論是極其困難的。

同樣，沒有局域性，情況也會非常棘手（所謂局域性，是指我們這個宇宙中的任何事物僅受其近鄰環(huán)境的直接影響，而不受遠處發(fā)生的事件的影響）。有了局域性，我們就可以首先設(shè)法解讀基本粒子之間最基礎(chǔ)的力，然后利用其他各種知識元素，像拼七巧板一樣嘗試拼出宇宙的數(shù)學(xué)模型來。

現(xiàn)今在為統(tǒng)一各種相互作用的嘗試中，最有希望成功的一種數(shù)學(xué)理論，需要依靠另一種對稱——超對稱性（supersymmetry）。在由超對稱性主導(dǎo)的宇宙里，每種已知粒子都有一個尚待發(fā)現(xiàn)的伙伴粒子。如果這些伙伴粒子最終被發(fā)現(xiàn)[當(dāng)歐洲原子核研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）投入全能量運行時，它們可能會被發(fā)現(xiàn)]，那么這將是具有神奇效力的數(shù)學(xué)的又一項勝利。

在本文開頭，我提出了兩個互相關(guān)聯(lián)的基本問題：數(shù)學(xué)是人們發(fā)明的還是發(fā)現(xiàn)的？是什么因素賦予了數(shù)學(xué)如此強大的解釋能力與預(yù)測本領(lǐng)？我相信第一個問題已經(jīng)有了答案：數(shù)學(xué)是發(fā)明與發(fā)現(xiàn)的精妙融合。一般說來概念是發(fā)明的產(chǎn)物，而即便概念之間所有正確的關(guān)系在被發(fā)現(xiàn)之前就已經(jīng)存在，人們依然需要對研究哪些關(guān)系進行選擇。

現(xiàn)在看來第二個問題似乎更為復(fù)雜。毫無疑問，正因我們在使用數(shù)學(xué)方法時對題材進行了精心挑選，于是數(shù)學(xué)給我們留下了非常有效這種印象。但如果本來就沒有什么普遍存在的規(guī)律等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，那數(shù)學(xué)就完全無用武之地了?，F(xiàn)在你可以這樣問：為何會存在放之四海而皆準(zhǔn)的自然法則？或者說，為何我們的宇宙被某些對稱性以及局域性所支配？說實在的，我不知道答案，我只能說，在一個不存在上述特性的宇宙中，復(fù)雜性和生命或許永遠也不會出現(xiàn)，我們當(dāng)然也就沒有機會提出這些問題了。

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