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微积分不只是一种语言

麦克斯韦的故事展现了一个我们将会反复看到的主题。人们常说数学是科学的语言,这是非常有道理的。在电磁波的例子中,对麦克斯韦而言,将他在实验中发现的定律转化为用微积分语言表述的方程,这是至关重要的第一步。

但是,用语言来类比微积分的做法并不全面。微积分和其他数学形式一样,不仅是一种语言,还是一个非常强大的推理系统。依据某些规则进行各种符号运算,微积分可以帮助我们实现方程之间的转换。这些规则有扎实的逻辑根基,尽管看上去我们只是在随机变换符号的位置,但实际上我们是在构建逻辑推理的长链。随机变换符号的位置是有效的简化手段,也是构建人脑无法处理的复杂论证过程的简便方式。

如果我们足够幸运和娴熟,能以正确的方式进行方程变换,就可以揭示这些方程的隐藏含义。对数学家来说,这个过程几乎是易于察觉的,就好像我们在操控着方程,给它们做按摩,竭力让它们放松下来,最后洞悉它们的秘密。我们希望它们能敞开心扉,跟我们交谈。

这个过程离不开创造力,因为我们通常不清楚应该进行哪些操作。在麦克斯韦的例子中,他可以选择的方程变换方式有无数种,尽管所有方式都合乎逻辑,但其中只有一部分能揭示出科学真相。因为麦克斯韦根本不知道自己要寻找什么,除了毫无逻辑的语言(或者符号)之外,他从方程中很可能什么结果也得不到。但幸运的是,这些方程的确含有待揭示的秘密。在适当的刺激下,它们“吐露出”波动方程。

此时,微积分的语言功能再次掌控了主导权。当麦克斯韦将他的抽象符号转换回现实时,它们做出了预测:作为一种不可见的行波,电和磁能一起以光速传播。在接下来的几十年里,这一发现改变了世界。 FLLorYSvgoRWugUC63RpNBOZ5ssBeo9INB/uKv30QClMitbTXBMSjyLbHhV/75xn

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