翻开量子力学教科书,首先看到的是光的干涉、电子的散射等实验的说明,然后表明,光子、电子等的粒子状态可以用波动函数(即属于某个 Hilbert 空间的向量)来表示并导出与若干状态的波动函数有关的迭加原理。迭加原理认为,状态 A 若是状态 B 与 C 的迭加,则 A 的波动函数就是 B 的波动函数与 C 的波动函数的线性组合,它是量子力学的基本原理。
什么叫粒子的状态呢?例如加速器内电子的状态就是由加速器决定的,所以,粒子状态可认为是该粒子所处的环境。因此在量子力学中就用唯一的波动函数(向量)来表示复杂至极的环境。这里首先是进行简单化、数学化的处理。状态 A 是状态 B 和 C 的迭加是怎么一回事呢?对于教科书中光的干涉等情形,其意义可以认为是显然的,而在一般场合,却很难理解环境 A 是环境 B 与 C 的迭加的意义。虽然根据普通观测的干扰可以说不确定性原理,例如不能同时观测粒子的位置与速度,但毕竟不能把粒子同时放在位置观测装置与速度观测装置中。就是说,粒子不能同时存在于二个环境中。那么什么又是这样二种环境的迭加呢?很难说清楚。另一方面,波动函数的线性组合演算在数学中却是完全初等的、简单明了的。迭加原理认为,这种简明的数学演算表现了复杂奇怪状态的迭加。就是说数学的演算支配着量子力学的对象即物理现象。明白了迭加的物理意义,就知道不是用数式表示它,而是把线性组合表示的状态迭加当作公理,反过来按数学演算来确定迭加的意义。正如 R. Feynman 所说,迭加原理的说明只能到此为止。只能认为量子力学是基于数学不可思议的魔力。所以我认为,在物理现象的背后在着数学现象是无可争辩的。
数学是实验科学
物理学家研究自然现象,在同样意义上,数学家研究着数学现象。也许有人会说,物理学家做各种各样的实验,而数学家不就是思考吗?但是,这种情况的「思考」就是思考实验的意思,例如与「思考」考试题的性质不同。我们知道,对考试问题,只要适当组合某个确定范围内已知的事实,一小时内一定能够解决,思考的对象、思考的方法都摆在面前。而实验则是为了调查研究原先未知的自然现象,当然其结果就无法猜想,也许什么结果也得不到。数学也完全一样,它是探究未知的数学现象的思考实验,虽说是思考,但思考的对象是未知的,思考些什么为好也不知道。数学研究的最大困难就在于此。
思考实验中最容易理解的形式是调查实例。例如考虑偶数最少可表为几个素数的和的问题。检查一下实际的偶数,2 是素数不算,4=2+2,6=3+3,8=3+5,10=5+5,100=47+53,...,总可以表为二个素数的和。由这一实验结果,可以猜想「除 2 以外的一切偶数都可表为二个素数的和」的定理成立(这是早就有名的哥德巴赫猜想,现在还没有解决)。如果这样几次调查实例,能够猜想出定理的形式,以后就可以考虑证明该定理,那么研究的最初难关就被突破了。当然这是数学,光堆积几个实例还不是定理的证明,证明还必须另外考虑。
初等数论些定理就是首先从这样的实验结果出发引出猜想,然后才证明的。从上个世纪末到本世纪初,由 F. Enriques、G. Castelnuovo 等意大利代数几何学家得到的惊人成果中,依据实验的不在少数。实际上,J.A. Todd 在1930年左右发表的论文中曾明确断言:「代数几何是实验科学」。他们的定理全部得以严密的证明还是最近的事。值得注意的是,尽管他们给出的定理证明还很不完全,但是定理却是正确的。