懂数学人的都认同:数学的本质[关联]万物(三)

再看几何:突破三维屏障

在最开始,纯粹的几何,是作为具体的实体来考虑的,比如点、直线、曲线等等。而解析几何只是提供了一组数或方程来描述这些几何实体,以及使用代数或解析的方法来解释和发展几何理论的。

但随着时间和研究的推移,几何与数的映射发生了翻转。数XZY被看作基本的对象,然后这些对象被具体化为几何实体(直线、平面、空间)上的点。从而几何本身变成了一种描述语言——用来描述数与数之间的关系。

结果有趣的事情发生了,纯粹几何具象着现实之物,所以只有3维。但解析几何的线性方程,其许多代数性质在本质上,是和所涉及的变量个数无关的——也就是与变量空间的维度无关。

那么解析几何就可以描述3维以上的几何空间,就是超平面空间——这是纯粹的数学概念,而不是现实的物理概念。

而从纯粹几何角度来看:3维的体可以由2维的面组成,但面需要去除空间折叠信息,并增加顶点的信息冗余;2维的面可以由1维的线组成,但线需要去除了旋转信息,并增加线顶点的信息冗余;而1维的线可以由无数个0维的点组成,这时候点的信息冗余度无限大,但却由微观构建了宏观,从无限构建了有限。

那么,由点、线、面、体,就可以从0、1、2、3维构建出n维,只不过其过程是在减少某些信息,增加某些冗余信息。

综上可见,是视觉系统(大脑的空间感知能力)限制了人类对高维空间的理解,但数和其代表的信息,却可以打破维度屏障,抵达不可想象的宇宙本质——或许这就是抽象的极限,0和1的比特世界。

另外,几何上的降维——立体压成平面,平面拆成线段,线段细化成点——这个过程产生了大量的冗余,也就是重复的数据和信息。那我们作为3维生物,是否会出现高维度的冗余呢?那是否可以把,信息的冗余就看成是高维度,进行降维的产物呢?

一个有趣的看待数学的视角

如果把大脑比作一台(量子)计算机,大脑的生理结构是硬件,思维活动是软件,那么数学可以看成是一种算法,运行在大脑这个虚拟机之上。

这个算法可以使用存储在大脑神经网络中的结构和关系,可以自动定理证明的过程(寻找更多的结构和关系),还能够自我学习归纳总结和逻辑推理。并且这个算法是随机运行的,可以无限的从环境中筛选出经过排列组合的信息。

这个算法在人脑中,就是自我意识、学习总结、逻辑推理的源泉,这就是数学——连接了心灵感知的抽象和真实的世界。

同时,这也体现了一个观点,数学的发展是随机的对环境信息不断过滤和筛选的结果。这里的随机是指没有目的和没有终极目标,充满猜想以后验证猜想的过程。这样基础结论就会越来越多,能推导的结论就更多,没有尽头和上限。而这或许就代表了上层(宇宙)环境的信息无限。

数学的难度

学习数学的难度,有三个递进的层面:

第一,信息路径的缺失。数学游戏的规则,注定了每一步都有迹可循,每一次推理都有逻辑的前后关联,那么在环环相扣的上下文之间,必定就会有一条可抵达和可理解的路径。

但如果,缺失了构建路径的哪怕任意微小的一个环节,那么整条路径就会被隐藏起来,或是变的不可理解。而学习数学,就是要把整条信息的逻辑路径(逻辑链)存储到大脑里,这依赖于整条路径,和与之相关联的千千万万条路径——这就是信息的积累和认知的上下文。

那么,数学推理过程的不可理解,就意味着这个过程的步骤,没有详细到每一步的信息路径,都足以让一个人可抵达的程度。所以,不同的人,有着不同的信息积累,理解不同或相同推理过程的难易度,都将会是不同的。

第二,本能排斥抽象。数学的抽象让其完全脱离了现实,而大脑天生就喜欢存储与现实息息相关的信息——因为这有利于适应环境,从而被环境筛选留存下来。

那么,数学信息的抽象与脱离现实,就有很大的概率让本能所排斥。而如果进化结果随机到这个模式,就会影响信息路径的积累,从而让层层路径依赖的数学学习过程,变成一个步步惊心、举步维艰的恶性循环,最终无可避免的演变成——从入门到放弃的结局。

第三,信息不对称。很多有数学方面信息积累和训练的人,在进行证明过程文字描述或是语言叙述的时候,会不自觉或下意识地省略某些他们认为是已知、理所当然、和显而易见的过程或步骤,更或者是把某些结论当做基础和前提来进行推演。

那么缺少了这些过程步骤和前提基础,就会让证明过程变得难以理解或是不可理解。这都是因为信息不对称,形成了推理路径上下文逻辑关联信息的缺失,所造成的结果。

当然,解决的办法不能是,依靠别人事无巨细的详细解读或给出推理证明的每一个细节。因为人类大脑是会遵循最小能量消耗来处理问题的,而共识的认知基础就是一种简化和捷径——代表着能量的最小消耗。并且为了配套能量消耗的算法,人们的心理还进化出了一个原则:就是每多一分知识,就会少一分对没有这个知识人的理解——这会让知识积累的落差与耐心成反比,知识的积累量与轻视感成正比。

所以,唯有通过训练来提高个人的信息积累,才能彻底解决信息不对称造成的理解困难。而这无形中就形成了数学知识和交流的信息壁垒。

最后,德国数学家——菲利克斯·克莱因,曾说过:数学最令人困难的地方,在于不管任何人,想要进入它,就必须在自己心里,依靠自己的力量,一步一步的把它的发展(推理演绎)再现一次。所以,哪怕只是掌握一个简单的数学概念——如果不能把它所赖以成立的所有前提(信息上下文),以及它们之间所有的相互联系(逻辑路径),都加以理解消化——那么,则都是不可能。

那么研究数学的难度,主要有两个层面:

第一,随机性。数学结论的探索,充满了随机信息的过滤和筛选,有时候一层纸的概念和理解,就可以挡住人们几十、几百年。在正确信息的路径出现之前,只有随机的猜想和探索,能够找到那个正确的猜想,并能够坚持走出,并走完,整条路径的概率是不可想象的。因为你怎么知道哪个方向就是正确?你怎么知道在哪个方向上坚持,坚持多久才会有正确的结果?但于此同时,放弃却是由本能给你撑腰的异常容易。

第二,信息量。已知信息越多,信息的关联性就越多,可连通的路径的可选择性也就越多,这就降低了找到正确路径的概率。同时信息量增加,不仅增加了信息的复杂性,也增加了信息噪音的干扰,这会让大脑能够记住和理解的有效信息,以及信息的处理解析能力,都不断下降(想象less is mores少即是多原理)。同时,已知的越多,与已知交接的边界——未知也就更多,这无形中分散了针对某个问题的探索力量——也就是减少了相关的有效信息,增加了个人的突破难度。

另外,数学领域信息细分艰深之后,信息路径就会变长,于是探索一个细分的具体问题,首先就需要走完前面的路径,并掌握上下文路径上的所有信息,这在筛选掉很多人——稍弱局部探索力量的同时,也是对大脑智能极限和底线,提出的更大挑战和负荷。

结构与宇宙熵的关联性

熵,有序无序,这个序是什么,为什么要存在序。字面意思是存在区分可以排列,如果无法区分也就没有序。

如何才能区分,这就是结构,序就是结构及其形成的关系。有了结构和关系,就有了属性,属性就可以被测量,观测和感知。很多结构聚集在一起就形成了宏观物质,产生了可被测量的质量。

所以,如果检测不到质量就没有了所谓的序。这里的质量是物质结构的度量,也就是信息量的体现,对应物理上的静质量。

那么,拥有结构就会与环境中的其它结构相互作用,所以无法达到光速,而不同结构之间的互相作用就形成了物质之间的力。没有结构,就没有结构之间的相互作用,所以速度就可以抵达光速。比如,光子没有静质量,所以是光速。

人类在试图创造有序,就是创造新的结构,产生新的属性和功能。但宇宙整体变的无序,就是整体结构(信息量和质量)在下降,转变成能量一种没有结构(没有信息和质量)的状态。可见人类虽然创造了新的结构(创造负熵),但过程中却消耗了其它更多的结构,所以局部在变得有序,而整体依然在变得更加无序(创造熵增)。

那么无序,也就是无法区分排列,也就是失去结构和关系,丢失属性,减少信息。姑且认为纯能量(无质量只有运动的状态)是会爆炸的,形成一个静质量无限大的东西,就是宇宙的最开始,一个循环的开始。(关于宇宙的结局,这只是一种假设,目前还没有定论,另外还有些假设是:热寂平衡、大撕裂或大收缩)

公式:E(能量 )= h (普朗克常量)* v(频率),用来计算微观粒子的能量。由此可见,微观粒子的能量是和其波粒二象性中波的频率成正比的。而频率代表着粒子单位时间内,周期性变化的次数。这个粒子的变化,就可以看成是粒子某种形式的运动,那么能量在微观处就是和粒子的运动相关联的。

所以,宇宙的方向或说是趋势,就是消耗能量增加熵值,即质量转化为能量(质能方程),也就是由序到无序的变化。那么消耗能量,其实就是消耗质量的意思,其中能量即是微观的运动,只有运动没有静质量的代表就是光子。但光子有速度,就会有动能和动质量。

事实上,熵有一个简单直观的理解:就是代表了孤立系统中不可用能量的度量方式。那么,无序、没有结构、没有质量、没有信息,即意味着没有可以利用的能量。而熵增无序,也就是实验总结出的热力学第二定律的一种修正形式,即能量转化必然会带来损耗——就是熵增无序。

由此可见,人类的工作(包括运动)和思考都是在创造局部有序,需要系统外部持续供应能量才能维持。而能量不足就会缺乏行动力,因为大脑和身体结构自发无序会降低驱动力——产生行动的阻力感,所以宇宙熵增就是人们懒惰的本质原因。不过,在有能量供给的情况下,智能和本能,当然是可以对抗局部熵增,产生熵减的。

而万事万物的演化,都是结构的随机试错,在环境压力,即宇宙熵增的驱使下,筛选和塑造的(涌现)结果。那么,熵增就会筛选出最善于创造熵增的结构,比如人类(创造局部有序熵减,向全局释放更多无序熵增),而未来则是人工智能(机器智能)。

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