科学空间|Scientific Spaces

电与磁具有很多相似性，那么，自然界允许只带有单一电荷的电子存在，那允不允许只有一个磁极的物体存在呢？也许会有的，英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）早在1931年利用数学公式预言了这种物质的存在，并且把它叫做“磁单极子”。而今天，我们已经发现了它们的足迹！ 磁单极子是理论物理学弦理论中指一些仅带有北极或南极单一磁极的磁性物质，它们的磁感线分布类似于点电荷的电场线分布。这种物质的存在性在科学界時有纷争，截至2008年尚未发现这种物体。可以说是21世纪物理学界重要的研究主题之一。在2009年9月3日的《科学》杂志上刊载了一篇记录人类首次观测到磁单极子的论文。

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注：2019.02.13 由科学空间苏剑林（https://kexue.fm）更新，修正公式76，并简化latex。

物理、天文研究得深入了，微积分的应用自然也就多了（其实很多内容都用到微积分）。所以弄出一个几何或者力学问题，随手就列出一道积分或者微分方程，这时求解是最重要的。对于我来说，求导数可以娓娓道来，轻松而得；而积分则比较困难（这与个人的技巧有关，更重要的是事实：导数几乎有通用的公式，而积分只能“凑”出来）。

因此，很多积分干脆依靠现成的公式，懒得去推导了。然后，并非随时随地都有《数学分析》在手的，对计算机数学软件的实用又不大熟悉，这时候只能够求助这一本《积分表》了。只要不是故意去钻那些竞赛级别的数学难题，这已经足够应付物理等方面的应用了。

这时候就这也不用愁到处找$\int \sqrt{a^2-x^2}dx$的结果了。

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天文学中有一个名词Airmass，注意这并非Air mass（空气质量），这是指天顶距等于z的方向上大气光学厚度和天顶方向大气光学厚度之比，我目前也找不到它的中文名称究竟是什么，反正觉得如果译成“大气质量”很怪，就暂且翻译成“大气厚度指数”好了。现在知道它叫做“大气光学质量”了，一般用X表示，如下图中，$X={BC}/{AC}$。

星光传播示意图

在一片较小的区域内，大气层和地面都可以视为平行平面，这时有一个很好的近似公式：
$$X=\sec z$$
对于现在的中学教材来说，有的读者可能不了解\sec为何物，实际上：$\sec z=\frac{1}{\cos z}$

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二体问题的轨道模拟

为了让大家能够查询到“天体力学”方面的内容，同时锻炼我的表达和计算能力，BoJone构思了《方程与宇宙》这个主题，主要是写一些关于使用数学相对深入地讨论一些天文问题。其实我一直觉得，不用公式是无法完美地描述科学的（当然也不能纯公式），我记得霍金的《时间简史》以及《果壳中的宇宙》等之类的书，都力求不用或者尽可能少用数学公式来表达自己的观点。这种模式对于对于公众来说是很好的，但是对于希望深入研究的朋友来说却难以进行。所以我主张：宇宙是算出来的！

这个主题每一个字都是由BoJone敲击出来的，其中包括引用了《天体力学引论》里面的一些内容，以及加入了BoJone个人的一些见解。由于篇幅长及时间有限问题，BoJone打算分若干次撰写发布，并且尽可能写得通俗一点，力求让有一点微积分基础的朋友就可以弄懂。这里首先发布第一部分。由于时间匆忙等原因，可能会出现一些疏忽，欢迎大家挑错！

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由于BoJone有着天文和数学的共同爱好，所以近一段时间恋上了天体力学，这是天文的内容，也是数学在天文学大施拳脚的地方。每一步计算，都有可能是一个新的发现，这种感觉太棒了，也许这就是我前进的动力之一。

天体力学最重要、最基本的方法就是解微分方程，其中以常微分方程为主，而且更多的是常微分方程组。这对BoJone来说是一个极大的挑战，因为正在读高一的BoJone一切都得自学，这得以微积分、级数、解析几何等数学知识为基础，而且必须做到融会贯通，要把它当成手中的橡皮泥，随意捏弄，形变而质不变。不过幸好能够有轻松自由的学习环境，我相信，我可以！

前些天在淘宝上一位天爱把他收藏的旧书都出了，里面有一本《天体力学引论》和《天体力学教程》，这正是作者苦苦搜寻的天体力学教程呀！其实即便是大学用的天体力学书籍，也是80年代左右的书，这些书很少有更新，所以现在几乎没有出售的，一般有钱也买不到（让我捡了一个大便宜^_^）。店主链接

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丘成桐 司徒哲阳摄

1月31日晚，华裔数学家丘成桐收到以色列教育部部长兼沃尔夫基金会理事长Gideon Sa’ar亲笔签名的信，通知他获得了2010年的沃尔夫数学奖，原因是他“在几何分析方面的贡献已对几何和物理的许多领域产生深远而引人瞩目的影响”。

1978年开始颁发的沃尔夫奖每年评选一次，分别奖励在农业、化学、数学、医药、物理以及艺术领域中取得突出成绩的人士。其中沃尔夫数学奖影响很大。

今年的颁奖典礼定于5月13日在耶路撒冷举行，丘成桐将与美国数学家丹尼斯·沙利文分享10万美元的数学奖奖金。这是丘成桐继菲尔茨奖后，再次获得国际最顶尖的数学大奖。菲尔茨奖和沃尔夫奖双奖得主，迄今只有13位。

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牛顿法使用的是函数切线的方程的零点来逼近原函数的零点，他所使用的是“切直线”，要是改为同曲率的“切抛物线”，则有更稳定的收敛效果以及更快的收敛速度

设函数$y=f(x)$在$(x_0,y_0)$处有一条“切抛物线”$y=ax^2+bx+c$，则应该有

$a(x_0+\Delta x)^2+b(x_0+\Delta x)+c=f(x_0+\Delta x)$-------(A)
$ax_0^2+bx_0+c=f(x_0)$-------(B)
$a(x_0-\Delta x)^2+b(x_0-\Delta x)+c=f(x_0-\Delta x)$-------(C)

其中$lim_{\Delta x->0}$

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超光速飞行

爱因斯坦理论的信仰者们必须接受一个理论，那就是光速是宇宙中最快的速度，任何物体的速度都不可能超过光速（两束反向发射的光，它们的相对速度依然是c，而不是2c）。

但是，却有一个不容否定的事实，天文学家的确观测到了运行速度大于光速的天体。这是怎么回事呢？爱因斯坦错了？相对论有误？还是有其他不为我们知道的秘密？

不过要是想从这个事实推翻相对论是不大可能的，因为爱因斯坦的信仰者们从简单的几何定理出发，就解释了这个现象。

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