***** Geek Series 3-1*****
無限的力量-- 微積分如何揭露宇宙的奧秘
"It's the language God talks" -- Richard Feynman telling Herman Wouk about calculus
非常符合時事的一本書。話說1665年倫敦大瘟疫的時候,人在劍橋大學的牛頓被要求在家自主健康管理。也就是宅在家的這段時間,22歲的牛頓發展出早期微積分的數學基礎,真的是Work from home (在家工作)的典範啊!
由美國康乃爾大學知名的應用數學教授所寫的這本書,讓數學變得很有人性,也充分描繪了微積分的美感。微積分在物理學家費爾曼口中是“上帝的語言”,雖然看起來很艱難,但作者開宗明義說不要以貌取人,因為微積分的精神,是讓複雜的事情變簡單!
“Calculus is defined by its credo, to solve a hard problem about anything continuous, slice it into infinitely many parts and solve them. By putting the answers back together, you can make sense of the original whole. I've called this credo the Infinity Principle"
(微積分的定義正如它的核心信念-- 如果要解決一個關於連續性的問題, 先把問題切成無限多的小塊然後找尋解答,當你把那些答案加總回去時,就能拼湊出原本的全貌,我稱這個信念為“無限的原則”)
曲線就是一種連續改變的方向
移動就是一種連續改變的位置
整本書貫穿科學史,可以看到微積分是如何從跨領域的激盪才發現出來的。阿基米德思考曲線或是球體的容積。天文學家哥白尼和克卜勒從觀察星球發現特殊的星球運動行為,為日後牛頓三定律鋪路。身兼哲學家和數學家的笛卡兒如何一邊發展他的理論,一邊把業餘數學家費馬 (Fermat)當成假想敵不斷嗆聲。牛頓在家辦公的成就讓十七世紀開始大放異彩。其中微分方程的應用蓬勃發展,像是超級怕冷整年穿著衛生衣的傅立葉發展出熱傳導公式(衛生衣是我自己加的,怕冷是真的)。冷戰時期的科學家計算雷達訊號,以及“關鍵少數”故事中太空時代大量用微積分判斷降落路徑的“電腦”-- 一群用筆算數的女人們。
現代應用更加多元。沒有微分和微分方程,就不會有GPS定位,不會有愛滋病雞尾酒療法,也不會有String theory 而發明的微波爐和音樂合成器。
沒有積分,就沒有整形手術需要的建模,也沒有電腦動畫的史瑞克。
最後作者談到微積分的未來,特別是面對許多非線性的問題,例如生物和社會科學的領域。隨著大數據的採集,人工智慧還DNA科學的發展,微積分還有好多待開發的應用。當我們思考渺小的人類竟然可以預測光年之外黑洞的行為,同時發現自然界每一處都像是精心設計的演算法和程式編碼,等待著我們發覺,就真的覺得這個“上帝的語言”,讓人興奮期待,也讓人敬畏謙卑。
全文與作者在YouTube上的小故事在部落格中👇👇👇
https://dushuyizhi.net/infinite-powers-%e7%84%a1%e9%99%90%e7%9a%84%e5%8a%9b%e9%87%8f-%e5%be%ae%e7%a9%8d%e5%88%86%e5%a6%82%e4%bd%95%e6%8f%ad%e9%9c%b2%e5%ae%87%e5%ae%99%e7%9a%84%e5%a5%a7%e7%a7%98/
#Infinitepowers #Calculus #math #isaacnewton #牛頓 #微積分
球體積公式 在 作者 Facebook 的最佳貼文
有讀者問我係咪收咗無綫錢賣廣告,冤枉呀大人,你講我先知今晚明珠930播《Interstellar》,有冇咁巧合?我思疑係咪編節目表嗰位人兄被我嘅文章影響咗。
無論如何,不用再煩搵seed,今晚正是欣賞Nolan傑作的大好機會,就破例讓無綫賺一晚收視吧。請把全屋的燈關上,把音量校到最大。以下附上文章連結,全與《Interstellar》相關:
NASA偽造阿波羅計劃:
https://m.facebook.com/story.php?story_fbid=1450067081710092&id=972393926144079
Hans Zimmer用管風琴做主力配樂:
https://m.facebook.com/story.php?story_fbid=1501103036606496&id=972393926144079
Cooper錯過內在記憶:
https://m.facebook.com/story.php?story_fbid=1510019419048191&substory_index=0&id=972393926144079
五次元書房的理念:
https://m.facebook.com/story.php?story_fbid=1511439065572893&substory_index=0&id=972393926144079
《Interstellar》的缺點是太專業,沒有理科底子的觀眾會對很多細節一頭霧水,我姑且點出幾個「補習重點」吧。
地球缺氧
大氣21%氧氣不是自古已有,而是植物進行光合作用製造,故事中全球植物逐一染上萎黃病,全人類將缺氧絕種。(補充一點,在未有藍綠藻誕生之前,地球氧濃度超低,海水因鐵離子而呈啡色,後來因藻類釋出氧氣改變了地貌和生態,鐵離子氧化沉澱形成鐵礦,海水由啡變藍,90%物種因氧氣中毒而絕種。)
重力
質量愈大,重力愈大,人能站在地上因地球的重力牽引(1G),當太空人在質量較大的行星上行動會分外吃力,因為要抗衡超過1G的重力。Cooper說戲中的黑洞比較平和,意指它的質量不至於吞噬一切,容許行星繞着它運行。科學家至今仍未解釋到重力的本質是甚麼,而戲中的Murph藉黑洞數據破解了,NASA發明出巨型殖民太空船擺脫重力的辦法。
太空船設計
太空船內失去重力,太空人如何腳踏實地行走?全靠環狀設計,自軸旋轉形成1G的離心力,人就可以像倉鼠跑圈般在內環走動。當Cooper快到蟲洞按停了自轉,所有太空人就回到漂浮狀態。劇尾Cooper Station麥田也是地面延展到天花的環狀設計。
相對論
引力導致時空扭曲率愈大,時間就過得愈慢。新星系有黑洞主宰引力,地球的時間比黑洞區快,以致Cooper十幾天的冒險,地球已過了八十年。重力不是唯一影響時間的變量,其實還有速度,太空旅行者高速移動,相比「不動」的地球人,時針會轉得較慢,孿生子實驗證明在太空站生活的人比地球的兄弟年輕。
蟲洞
Nolan真的找了物理學家Kip Thorne去確保一切盡量合乎科學,Kip猜想蟲洞是負質量所構成的時空隧道。一個3D世界摺疊會有一個2D的洞,一個4D世界摺疊是一個3D的洞,所以戲中的蟲洞有別於以前的科幻電影,是一個球體的洞。據說Kip寫了一條複雜的公式模擬蟲洞,Nolan的科技團隊用了幾日幾夜才把方程式運算完成,模擬太空船穿過蟲洞的畫面。
超立方體
無限書房是4D的洞?這一幕是幾何學上四維超四方體(tesseract)的構想。人的視覺只處理到3D空間,4D空間換成3D視覺,形成多胞影像。一個3D的立方體可展開六個2D的正方面,而一個4D的超正方體可展開八個3D的立方體。
黑洞
無限小的空間存在無限大的質量,形成物理奇點,相對論和量子力學在裡面會失效。光不能逃離黑洞,所以是全然黑色,電影中黑洞被光環星屑圍繞,名為吸積盤。彌散物質被黑洞吸引,同時以自轉的離心力抗衡,在引力帶積成盤狀。有趣是,早前NASA發現土星環一顆星塵也沒有,是純粹的光圈。(在Cooper墮進黑洞一幕,留意畫面右上方,你會見到全宇宙變成一個球體。)
梅菲定律
任何有可能出錯的事,都一定會出錯。解釋了為何Cooper在三顆類地行星中選兩顆降落,偏偏兩次都選不中宜居星球,死得人多。
牛頓第一定律
物件按慣性移動,高速移動太空船即使關掉引擎,仍照原有速度前進。在地球上車子關掉引擎會減速,因為有摩擦力。太空沒有摩擦力。
牛頓第三定律
作用力與反作用力成反比,你打人一拳,自己會因反作用力退後。Cooper駕船彈向黑洞,確保Brand有足夠動量擺脫黑洞。
重力助推
太空船不夠燃料時,可借助行星軌道進行加速,像擲鐵餅那樣。Cooper借助黑洞外軌道加速太空船,節省燃料。
網上有很多文章指出《Interstellar》的科學謬誤,有興趣自己看吧。記住,電影是像真的,捉着犯駁位死鑽空子的人,試圖顯得自己高明,卻會表露出惡意。惡意者用理性扼殺藝術,無法欣賞美感。
作者
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作者首本小說《地球另一端》現已接受網購,每本連郵費港幣$75,歡迎inbox洽訂。亦請期待下一本小說《捉姦》面世。
球體積公式 在 余海峯 David . 物理喵 phycat Facebook 的最佳貼文
【科學家名句系列】
祖沖之:「願聞顯據,以窮理實;浮詞虛貶,竊非所懼。」
祖沖之是南北朝的天文學及數學家。他測量了地球公轉一周需時 365.24281481 天,與現代數值的誤差在百萬分之二內;他用極限的概念、不用微積分就導出了球體體積公式;他也是中國史上第一個在曆法中考慮歲差的人。他發現了傳統曆法的錯誤,於公元 462 年制定出「大明曆」,是當時最準確的曆法。可是朝中權勢人物戴法興出言反對,認為「古人制章、萬世不易」、天文曆法「非凡人所制」。為此,祖沖之寫了一篇《駁議》,其中兩句「願聞顯據,以窮理實;浮詞虛貶,竊非所懼。」體現了科學和求真精神。在現代,為紀念他的貢獻,月球上的一座環形山就以祖沖之的名字命名。
因主之名:拖著文明後腿的歷史
phycat.wordpress.com/2015/03/17/因主之名拖著文明後腿的歷史/
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