每年的3月14日都是阿尔伯特·爱因斯坦的生日,也恰逢是Pi日,它是为庆祝众所周知的数学常数——π所设立的节日。当四舍五入到小数点后两位时,其数值为3.14,也就是巧妙的3月14日!当然,当我们想到爱因斯坦时,我们不能将他的名字与现代物理学和他所揭示的强大理论分开。或许,他最出名的贡献是他在广义相对论和光电效应方面的工作,而这使得他在1921年赢得了诺贝尔奖。
然而,他的第二个被引用最广的论文其实是布朗运动理论,虽然与他其他的成就相比,人们对这项成就的讨论较少,但他的这项成就却在现代领域中从金融到药物领域都得到了广泛的应用。最重要的是,它证明了原子的存在,或微小的物质能够构建基块,并为计算阿沃加德罗的数量,或1摩尔分子或元素中的原子数量奠定了基础。原子的发现和阿沃加德罗数的计算可以说是现代化学最重要的基石。那么这个理论到底是讲的什么呢?
图解:未注明日期的文件照片显示了德国著名物理学家阿尔伯特·爱因斯坦博士,他是相对论的作者。
这个理论被称为布朗运动。你可能会问,为什么叫布朗运动理论?而不是爱因斯坦运动理论?这是因为爱因斯坦建立了数学模型,从而解释了苏格兰科学家罗伯特·布朗(Robert Brown)指出的这种原子运动行为。他在研究花粉时注意到,当花粉掉入水中时,它会产生随机锯齿形运动。虽然布朗意识到这是一个物理过程,但因为这个过程背后没有足够令人信服的数学解释,所以在19世纪后期,物理学家们对这项物理运动非常感兴趣。
1905年,爱因斯坦对这一过程产生了兴趣,并给出了锯齿形运动的数学描述。他把这条锯齿形路径描述为:
1)独立,这意味着你可以向任一方向移动,
2)各向同性,这意味着任何方向都可能作为另一个运动方向,
3)随机的,你不知道你将朝着任意一个方向移动多少。
通过这个公式,爱因斯坦研究出了一个数学模型和布朗运动公式,这表明世界上存在着微小的难以区分的粒子。后来他的这个理论被法国物理学家让·佩兰证实是对的,佩兰把爱伊斯坦的这一理论付之实践,用高精度显微镜验证爱因斯坦的数学理论,这使他能够精确的计算阿沃加德罗的数量,并因此证明了原子的存在!为此,佩兰于1926年获得诺贝尔奖。
当然,爱因斯坦为布朗运动开发的数学模型的影响力是非常强大的。如今,此类过程被描述为"随机过程",或随机和不相关的进程。由此我们很容易看出爱因斯坦的数学模型是如何应用在金融和对冲基金上的,因为它可以模拟股票的行为,而股票的行为又具有不可预见性。事实上,我们很容易看出这个模型是如何应用在模拟以随机性为特征的行为数组之中的,这种行为在本质上内置在我们的宇宙之中。
例如,以天气预测为例,天气预测就依赖于随机过程。此外,随着计算机的出现和在计算机上的高级计算能力,我们能在越来越多的领域利用预测数学的力量来模拟日常生活中的物理过程或感兴趣的物理过程。例如,科学家经常使用随机过程,应用于药物相互作用、小分子药物发现、细胞生物学和量子行为。
因此,人们谈论最少的一项爱因斯坦的物理发现反而在现代金融领域应用最多,其跨学科的科学工作也波及到了其他许多领域。物理学、生物学、化学和计算机科学领域的博士学位都集中在随机过程上。后来,拥有这种学位的人发现各行各业的职业都依赖于数学原理来预测现实。因此,和他之前许多著名的科学家一样,爱因斯坦在观察一个基本的物理过程时,再次证明了数学是宇宙的语言。
安娜·鲍尔斯博士是一位企业家、顾问和获奖科学家。她的热情是分享科学之美,鼓励女性进入STEM领域。
参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3. forbes- forbes-
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