数学,作为科学的基石,尽管它不严格属于科学领域,却在科学的不断前进中扮演着至关重要的角色。多数人在牙牙学语之时,便已接触到最基础的数学知识,等到两三岁,已能从1数至100,并且开始了解简单的算术运算。
然而,人类究竟是从何时起开始有了数的概念,却难以追溯。甚至,我们并不明确数学是随文明的兴起而产生,还是源于人类通过实践经验总结的逻辑基石。
从历史记载来看,人类最早使用的计数工具非常朴素。例如,结绳计数,这便是一种极为简明的数学表达形式。
通过结绳计数,人们的自然观也显而易见地非常朴实。人们倾向于以一种简洁的方式理解自然界,他们相信那些简单的整数能够描绘世间万物。
然而,当人们开始研究直角三角形的三边关系时,他们发现了一种不和谐。这一发现,促成了人类对数学认识的第一次变革。发生了什么呢?
假设一个等腰直角三角形的直角边都为1,那么它的斜边长度为多少?
我们如今知道,斜边长为根号2,这是一个无理数。但对于古代人来说,他们并不了解这一点。当他们尝试求解根号2的精确值时,他们感到了困惑。在计算过程中,他们发现这个数字极长,且无论计算多久,似乎都无法窥见其尽头。
根号2的发现,成为了人类首次遭遇的无理数,它也带来了第一次数学危机。
无理数的出现,颠覆了古人对“自然美简洁”的认知。一时间,人们难以接受这一事实,在他们眼中,根号2显得如此“不可思议”。
但无论怎样,根号2这个数是确实存在的,古人不可能视若无睹。因此,他们开始深入探索物理学,在此过程中,人们首次接触到无穷的概念,由此产生了著名的芝诺悖论之一。
芝诺悖论的表述如下。
设想你与一只乌龟赛跑,乌龟速度远低于你,你与乌龟起点不同,乌龟在你前方100米处。你的速度为乌龟的10倍。
在现实情况下,你毫无疑问可以迅速追上并超越乌龟。但在芝诺悖论中,你被设定无法追上乌龟。这是为何?
芝诺悖论提出,乌龟一开始就领先你100米。当你跑完100米到乌龟的起跑点时,乌龟已跑了10米。而当你跑完10米时,乌龟又跑了1米。当你再跑完1米时,乌龟只跑了0.1米……
如此下去,乌龟永远在你前面,你所跑过的路程仅是乌龟先前跑过的。这似乎意味着你永远无法追上乌龟。
但现实中我们知道可以迅速超越乌龟,为何会出现这种“矛盾”?问题在哪里?
古人在深入思考芝诺悖论时,引出了无穷的概念,并发现了芝诺悖论的破绽。芝诺悖论更像是“狡辩”,故意设下“陷阱”。由于我们的时间是有限的,不可能在有限的时间内完成无穷多的事情,这便避免了陷入芝诺悖论的“陷阱”。
无理数与无穷概念的深入探索,成功化解了历史上第一次数学危机,使数学得以安稳发展近2000年,直至牛顿和莱布尼茨的出现。
也就是说,微积分的出现,引发了人类历史上第二次数学危机。
微积分的重要性不言而喻,它让人们得以解决之前看似无法解决的问题,例如精确计算任何曲折图形的面积或弯曲曲线的长度。
微积分对许多人而言似乎难以理解,但其核心思想实则简单,即无限细分后再整合,微积分的基石就是无限趋近于零的概念。
在很多情况下,人们直接将无限小等同于零,却忽视了两者间的区别和数学意义。
到了牛顿和莱布尼茨时代,人们对微分、积分和倒数的真正含义尚未明确。
第二次数学危机虽然很早就得到了解决,但至今仍有很多人不甚了解,甚至存在误解。
举一个简单的例子来说明第二次数学危机,例如0.999......和1哪个更大?
答案是一样大,因为0.999......和1实际上是同一个数,自然大小相同。但至今仍有很多人认为0.999......小于1。对于这种误解,我想简单地回答:认为0.999......小于1的人,基本未理解无穷的真正含义。
当然,这并非指责或嘲笑那些不理解的人,因为我们日常生活中所见多是有限的事物,所以无穷的概念往往违背了我们的日常经验。而我们的潜意识常迫使我们接受与日常经验相符的认知。
简言之,第二次数学危机的根源在于对微积分和无穷概念的误解。
人类成功解读第二次数学危机两百多年后,出现了第三次数学危机。著名的罗素悖论便是一个很好的例子。
罗素悖论中的一个著名例子涉及一个理发师的广告:他只为那些不能给自己理发的人理发!
问题是:这个理发师是否会为自己理发?无论回答是或否,都与他的广告自相矛盾。
这与“上帝悖论”相似:上帝无所不能,但他能创造出一块自己无法搬动的石头吗?无论答案是能或不能,都会与“上帝无所不能”的论断产生矛盾。
罗素悖论更像是哲学思想,涉及哲学的本体论,甚至能引出唯心和唯物的思考。具体来说,就是罗素悖论总是先将自己置身事外,而后转换角度,又将自己置于事件中。这就像自己制造了矛盾:自己究竟在哪,是事件的一部分还是置身事外?
用主观唯心主义来理解罗素悖论,可以这样想:如果世界是你意识的产物,那么“你”的概念是否也是你意识的产物?如果答案是肯定的,那么“你对‘你’的概念的思考”又是由你意识的产物吗?
我们发现,这就像俄罗斯套娃一样,无休无止。最终的问题会变为:意识的本质是什么,又在何处?
如果你的意识存在,就会出现上述矛盾。但若你的意识不存在,你意识所创造的世界亦不复存在!
严格来说,罗素悖论并非真正意义上的数学问题,更像是对集合定义的诡辩。而诡辩,就是“争论”,至今人们也未能完美解决这一类的诡辩。
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