认识了平行线公理|平行线的公理

  大约公元前400年前后,古希腊的毕达哥拉斯学派,行将拉上帷幕。然而,毕达哥拉斯学派,在数学上留给后人的成就,无疑是重要的,也是伟大的。毕氏学派最先认识到,数学的对象,应该首先研究抽象的概念,认为了数与图形是抽象的思维。

  

  毕氏在研究数与图形的关系中,最为得意的是发现了直角三角形中,边与数之间的确定关系,即毕达哥拉斯定理(勾股定理)。这个定理堪称是数与图形的完美结合,由此,进一步发现了:在直角边可以公度的等腰直角三角形中,斜边与直角边两者不可公度,即等腰直角三角形斜边的长,是无理数。无理数的发现与证明,历史上归功于毕氏学派中的数学家希帕索斯(Hippasus,公元前500年左右)先生。毕氏学派的这一发现,直接导致了第一次数学危机的发生。

  

  这个关于无理数的证明,是发生在公元前500年左右的古希腊,是用毕达哥拉斯定理(勾股定理)证明的。而毕达哥拉斯定理是文明的人类社会中,一个必不可少的重要定理。毕氏学派的关于无理数证明,当时采用了反证法(归谬法),具体如下:

  

  在等腰直角三角形中,设斜边为α;直角边为β。若斜边与直角边两者可以公度,那么,有α/β,并且α/β是既约分数。于是,根据毕氏定理,有α2=β2+β2=2β2。

  

  因为α2是偶数,所以α是偶数,可以设α=2γ。因为α/β是既约分数,所以β是奇数。因为α2=4γ2=2β2,所以2γ2=β2,于是得知β2是偶数,所以β是偶数。

  

  一个数β,它既是偶数,同时又是奇数,这就自相矛盾了。所以,等腰直角三角形中的斜边不可公度。于是,无理数得到了证明。

  

  证明的过程是如此的简单明了,无懈可击。可是,虽然无理数的存在,被证明了,但是,当时的人因此而困惑。因此而改变了对世界的认知。然而,人们并不因为困惑而停止了研究。而是因为困惑,积极地去思考这样的一个问题:数与数之间到底是离散的,还是连续的,以及离散与连续的关系。有关这些问题的思考,是二千五百年前古希腊人提出的,并且还提出了认识这些问题的各种途径,关于这些问题,以及由这些问题而引伸出的无数课题,直接影响着人们的思想,尤其是认识论方面。当然,关于这些问题,在当时没有圆满的结论,直到现在,也没有圆满的结论,人类与人类的思辨共存。

  

  大约在公元前300年前后,约二千三百年前,古希腊的欧几里德先生(Euclid,古希腊人,约公元前330年—前275年)登场了。人们对于欧几里德先生的生平,并不详细。据公元5世纪的希腊人普罗克洛斯(Proclus,公元410——485年)记载,欧几里德先生是在柏拉图(Plato,古希腊人,公元前427——347年)的学院中读的书。柏拉图学院是一所,约二千四百年前开办的综合性学校,是慈善基金开办的免费学校。欧几里德总结了前人的数学,并且在前人的基础上,从几何出发,建立了一套逻辑演绎推理系统。欧几里德先生的这套系统,后人称之谓欧几里德几何,简称欧氏几何。

  

  欧氏几何除了若干个定义以外,由5个公设,5个公理为基础。公设与公理的区别,亚里士多德(Aristotle,古希腊人,公元前384——322年)先生认为:公理适用于一切科学的真理,公设只应用于几何。

  

  于是,问题来了。在欧氏几何的5个公设中,其中第5公设看起来不是很一目了然,似乎有点像定理。欧氏几何的第5个公设所述:若一直线与两直线相交,且若同侧所交两内角之和小于两直角,则两直线无限延长后必相交于该侧的一点。这就是俗称的欧氏平行线公理。

  

  自从欧氏几何问世后,其中的第5公设受到了普遍的争议。争议的焦点是:(1)假如是公设,那么不是很一目了然,(2)假如是定理,那么,一定可以用其它公设和公理加以证明。遗憾的是,人们二千多年来,试图了种种尝试和努力,其证明的结果统统以失败而告终。以致有人怀疑第5公设,是欧氏为了欧氏几何,而自己搞出来的,如果这是真的话,那么欧几里德先生太了不起了,其实,欧几里德先生确实了不起。

  

  欧几里德先生在二千三百年前,把我们眼睛所见的物质世界及其联系,思想了用逻辑演绎推理的方法表达出来,这就是所谓的欧氏几何。欧氏几何也就是我们在中学里,所学习的平面几何和立体几何。

  

  可是,在我的中学学习阶段,尽管学到一些有关点、线、面、体等之类,几何中的一点点皮毛知识,而对于在二千三百年前,世界上还有一个名叫欧几里德的人,却是全然不知的。后来,当我的父母偷偷的小心翼翼的将欧几里德,以及欧几里德对人类所做的贡献,告诉了我后。我在上海的旧书店,福州路旧书店里的一个角落里,找到了一本国人翻译编写的欧氏几何书,并且买回家来自学。可以说,在我进入系统学习纯粹数学和物理数学之前,我的全部数学和物理学的知识,基本都是通过自学获得。所以,我真诚地对我的后代说,要珍惜每一次的学习机会。当然,这是题外话了。

  

  然而,第5公设的问题,在19世纪高斯先生(Gauss,德国人,公元1777——1855年)、罗巴切夫斯基先生(Lobatchevsky,俄国人,公元1793——1856)等人登场之前,始终是个问题。欧氏第5公设的问题在于:这个公设与诸多的命题等价,例如(1)三角形内角之和等于两直角,即180度;(2)两条平行线被第三条直线所截,同位角相等;同旁内角互补,等等。也就是说,欧氏第5公设是欧氏几何中的一个命题,一个独立的命题,这个命题,可以由其它的命题来证明,例如:由罗巴切夫斯基先生所给出的几何,来加以证明,是罗巴切夫斯基几何的特例,因此不应该是公设。并且,在罗巴切夫斯基几何中,三角形内角之和恒小于两直角。高斯先生也认为三角形的三个顶点无论取多么长,它的面积可能永远小于一定的极限,也就是说,三角形的边长不断的增加,其内角之和将减少。由此,建立起了没有欧氏第5公设的几何。后来,人们把没有欧氏第5公设的几何,称之为非欧几何,这是因为欧氏第5公设是欧氏几何所必须的。

  

  人们就是这样的思想,这样的坚忍不拔,这样的前赴后继。经过了二千一百多年的努力,到了19世纪,终于搞清楚了欧氏几何关于第5公设的疑问,人们最终认识了平行线公理,争论也就此结束。并且,由此而诞生出了非欧几何。从此,人们从一个新的高度,来观测世界,来认识我们所处的宇宙空间。这是因为,在非欧几何出现之前,人们普遍认为,眼前的物质世界和宇宙空间,等同于欧氏几何。现在,19世纪非欧几何的出现,人们改变了这一看法。所有这一切的认知与发展,最终导致了20世纪初,爱因斯坦(Einstein,德国人,公元1879——1955年)相对论的诞生。

  

  古代中国的孔子先生(春秋鲁国人,公元前551——479年),在二千五百年前的东方,建立了一所具有规模的私立学堂。这所学堂的性质,与相近时期古希腊的柏拉图学院类似,类似之处在于,前来读书的学生,可以是无条件的免费。可是,孔子学堂除了教授人文哲学之外,没有自然哲学和科学。虽然师生们也善于思辨,但不完全,因为少了自然哲学和科学,不免显得苍白无力。因此,我以为,这是一个缺损,由于这个缺损,使得公元前西汉朝的董仲舒(公元前179——104年)有机可乘,可以轻而易举的建立董仲舒的儒家学说,汉武帝也因此可以轻而易举的罢黜百家,独尊儒术。从此,国人逐渐丧失了自先秦以来,仅剩的一点思辨能力,更不要说批判精神了。国人对于宇宙的认识,也仅局限在了天圆地方之中。诸子百家只剩下了儒家,况且,这个儒家还是董仲舒们的。

  

  人文哲学与科学,是人类文明发展的两大支柱。至于董仲舒的儒家学说,乃至以后发展出来的程朱理学,关于这些学问,对于国人的发展与影响,仁者见仁,智者见智。不过,我想,一个依靠其他人的贡献的人,是挺不起胸堂的,哪怕你腰缠万贯。

  

  二0一二年四月  

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