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誰(shuí)是世界第一位數(shù)學(xué)家?︱科學(xué)史

 菌心說(shuō) 2021-09-27

最早的數(shù)學(xué)



數(shù)學(xué)有著久遠(yuǎn)的歷史。從原始社會(huì)開始,人類就在繩子上打結(jié),以便記數(shù);在地上畫圖,測(cè)量大小?!敖Y(jié)繩記數(shù)”開創(chuàng)和發(fā)展了數(shù)字的最早概念,“土地測(cè)量”等生產(chǎn)活動(dòng)的需求,使幾何學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。

如今找到最多最早數(shù)學(xué)記錄的地方,是古埃及和巴比倫。目前最古老的數(shù)學(xué)文本是《普林頓322》(古巴比倫,約公元前1900年),《萊因德數(shù)學(xué)紙草書》(古埃及,約公元前2000年—1800年),以及《莫斯科數(shù)學(xué)紙草書》(古埃及,約公元前1890年)。

普林頓322泥板

以上古文本中,都有關(guān)于幾何最早的記錄。如圖所示古巴比倫的普林頓322是一塊泥板,上面的表格列出了不少勾股數(shù),也就是滿足a^2+b^2=c^2的a、b、c的正整數(shù)集合,比希臘、中國(guó)、印度等地?cái)?shù)學(xué)家的發(fā)現(xiàn),要早上一千多年。

萊因德數(shù)學(xué)紙草書

莫斯科數(shù)學(xué)紙草書

現(xiàn)藏大英博物館的“萊因德數(shù)學(xué)紙草書”,總長(zhǎng)525厘米,高33厘米,與保留于俄羅斯莫斯科普希金造型藝術(shù)博物館的“莫斯科數(shù)學(xué)紙草書”齊名,是最具代表性的古埃及數(shù)學(xué)原始文獻(xiàn)。兩本紙草書中都有不少幾何問(wèn)題,據(jù)說(shuō)其中有對(duì)π的簡(jiǎn)單計(jì)算,所得值為3.1605。

古埃及和巴比倫距今已近4000年,應(yīng)該算是人類最早期的數(shù)學(xué)。但是,兩地的資料有限,人物不詳。因此,追溯數(shù)學(xué)歷史之源,還是從古希臘開始比較合適。

古希臘的天時(shí)地利人和



當(dāng)今世界的人口超過(guò)70億,根據(jù)人類演化歷史的研究及現(xiàn)代DNA技術(shù)的追蹤,這幾十億的人口,卻是來(lái)源于一個(gè)共同的祖先:非洲人。

后來(lái),人類的祖先以雙腳走出非洲遍游世界,將后代延續(xù)繁衍到地球各處。再更進(jìn)一步,人類逐漸沿河而居,聚集在一起建立了城市和國(guó)家,并因之而獨(dú)立誕生了好幾個(gè)所謂的“文明古國(guó)”,其中包括公元前3500年左右的兩河文明、公元前3000年時(shí)尼羅河畔的埃及文明、公元前3000年左右黃河長(zhǎng)江流域的中國(guó)華夏文明,以及公元前2500年左右恒河流域的古印度文明。

盡管多種人類文明獨(dú)立誕生于不同的地區(qū),各自特色不一,但是,作為人類文明思想精華之一的“科學(xué)”,卻又只是起源于唯一的一個(gè)地方:古希臘!

科學(xué)之起源與數(shù)學(xué)思想的發(fā)展密切相關(guān),如今被稱為人類第一位數(shù)學(xué)家的先賢叫泰勒斯(Thales),或稱“米利都的泰勒斯”。米利都是泰勒斯的家鄉(xiāng),見(jiàn)下圖。

文明古國(guó),數(shù)學(xué)及科學(xué)的誕生

那么,科學(xué)為何獨(dú)獨(dú)誕生于古希臘而非別處?答案有些出乎人們的意料之外,其原因竟然與古希臘的地理環(huán)境有關(guān)!

事實(shí)上,公元前600至500年左右,人類幾大古文明世界不約而同地出現(xiàn)了一段興旺場(chǎng)面:思想家輩出,哲學(xué)派別林立,各具特色和風(fēng)格。然而同時(shí),隨著各方宗教思想的嚴(yán)密化和系統(tǒng)化,東西方哲學(xué)思想開始分道揚(yáng)鑣。這就是被后人稱為“軸心時(shí)代”的年代,被描述為是人類文明歷史上“最深刻的分界線”。

那段時(shí)期,中國(guó)有孔子、老子、墨子、莊子、列子等諸子百家;印度有釋迦牟尼,誕生了佛陀;古代波斯出現(xiàn)了拜火教……人類的幾大古文明社會(huì)開始通過(guò)不同的哲學(xué)反思來(lái)認(rèn)識(shí)和理解這個(gè)世界。

大多數(shù)這些文明古國(guó)都始于農(nóng)業(yè)的發(fā)展,建立于江河流域,而古希臘并不具備這種條件。例如泰勒斯的家鄉(xiāng)米利都位于愛(ài)琴海東部沿岸,屬于古希臘愛(ài)奧尼亞諸島一帶。那兒沒(méi)有河流只有海洋,沒(méi)有平原只有山地。

因此,古希臘一不傍河,二無(wú)森林,既未發(fā)展出如文明古國(guó)那種農(nóng)業(yè)文明,也不可能有像瑪雅文化那樣的叢林文明。

然而,古希臘卻自有其“天時(shí)地利人和”之處!特殊的地理環(huán)境,使它盡管沒(méi)有“原生文明”,卻孕育出了一種獨(dú)一無(wú)二的、崇尚自由思想、有著海洋色彩的“次生文明”。

米利都位于多山的愛(ài)奧尼亞一帶,沿岸是一個(gè)一個(gè)的出???。它們多面環(huán)山、一面朝海,內(nèi)路為群山所阻,海道卻極為便利。高山阻隔使它們互相獨(dú)立,海道暢通有利于發(fā)展自由的商業(yè)貿(mào)易。因此,這些出海口便形成了一連串以航海為基礎(chǔ),頗為富裕和自治、相互沒(méi)有依附關(guān)系的獨(dú)立城邦,米利都便是當(dāng)時(shí)較大的12個(gè)城邦之一。

愛(ài)琴海一帶,與米利都城邦隔海相望的,南是古埃及,東有巴比倫。頻繁興旺的商業(yè)活動(dòng)不時(shí)帶來(lái)這兩個(gè)文明古國(guó)的相關(guān)信息,而這兩個(gè)文明又時(shí)常感受到更遠(yuǎn)的印度及華夏東方文明。因此,“軸心時(shí)代”溫暖的春風(fēng),也就這樣間接地飄進(jìn)了古希臘。

古希臘的思想家,在多方文明的環(huán)繞滲透下,既保持其特有的自由思想,又包容地大量汲取外來(lái)的養(yǎng)分,最終化劣為優(yōu)、揚(yáng)長(zhǎng)避短,導(dǎo)致科學(xué)發(fā)端于古希臘。

著名物理學(xué)家薛定諤曾經(jīng)將其原因大致歸納為如下3點(diǎn):

a、古希臘的小城邦,實(shí)行的是類似于共和制的政治;

b、航海貿(mào)易刺激經(jīng)濟(jì),商業(yè)交換促進(jìn)技術(shù),由此而加速思想交流,科學(xué)理論形成;

c、愛(ài)奧尼亞人大多不信教,沒(méi)有像巴比倫和埃及那樣的世襲特權(quán)的神職等級(jí),有利于倡導(dǎo)獨(dú)立思想新時(shí)代的興起。

第一位數(shù)學(xué)家何許人也?



古希臘數(shù)學(xué)家泰勒斯,被譽(yù)為世界第一位數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家、科學(xué)家。泰勒斯對(duì)科學(xué)作了哪些貢獻(xiàn)?

泰勒斯證明了“泰勒斯定理”,首開先河引進(jìn)“證明”的思想,將數(shù)學(xué)從經(jīng)驗(yàn)上升為理論,繼而使理性精神發(fā)源于古希臘,之后又傳播到歐洲并催生了宏偉的現(xiàn)代科學(xué)…

米利都的泰勒斯

泰勒斯出生于米利都,盡管當(dāng)年這個(gè)城邦名義上屬于波斯統(tǒng)治,但實(shí)際上具有很大的獨(dú)立性。米利都的大多數(shù)居民,是在公元前1500年左右,從克里特島遷來(lái)的移民??死锾貚u在米利都的西南方,位處古埃及、巴比倫文明的輻射范圍以內(nèi)。而到了泰勒斯的父母一代,他們?cè)菛|南方向善于航海和經(jīng)商的腓尼基人,也算是奴隸主貴族階級(jí)。因此,天才的泰勒斯從小受到良好的教育。

泰勒斯早年隨父母經(jīng)商,曾游歷埃及、巴比倫、美索不達(dá)米亞平原等地。泰勒斯興趣廣泛,涉及數(shù)學(xué)、天文觀測(cè)、土地丈量等各個(gè)領(lǐng)域,游歷過(guò)程中學(xué)習(xí)到很多知識(shí)。

泰勒斯最著名的哲學(xué)觀點(diǎn):水是萬(wàn)物之本。他研究天文,確認(rèn)了小熊座,估量太陽(yáng)及月球的大小,修定一年為365日。

數(shù)學(xué)上,他將在埃及跟當(dāng)?shù)丶浪緦W(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)知識(shí)應(yīng)用于測(cè)量:估算船只離岸的距離,從金字塔的陰影計(jì)算其高度,證明了泰勒斯定理。

泰勒斯是西方思想史上第一個(gè)有記載、有名字留下來(lái)的思想家。這位人稱“科學(xué)之祖”的偉大人物也在民間留下了很多趣聞逸事。

據(jù)說(shuō)泰勒斯有一次用騾子運(yùn)鹽,一頭騾子不小心滑倒溪水中,背上的鹽迅速溶解了一部分,于是這頭狡猾的騾子每到一個(gè)溪水旁就打一個(gè)滾,故意讓鹽溶解負(fù)擔(dān)減輕。泰勒斯發(fā)現(xiàn)了這點(diǎn),便將計(jì)就計(jì),有時(shí)讓這騾子改馱海綿,騾子到溪邊照樣打滾,卻發(fā)現(xiàn)負(fù)擔(dān)越來(lái)越重。最后,聰明的泰勒斯終于使那頭騾子改掉了溪邊打滾的習(xí)慣,老老實(shí)實(shí)地繼續(xù)馱鹽!

泰勒斯還有幾個(gè)預(yù)言成真的故事。他曾經(jīng)預(yù)言有一年雅典的橄欖會(huì)豐收,并乘機(jī)購(gòu)買了米利都所有的橄欖榨油機(jī),抬高價(jià)格壟斷了榨油行業(yè),于是大賺了一筆,他以此證明自己如果把心思放在經(jīng)商上,有潛力成為一個(gè)精明的商人。

據(jù)說(shuō)泰勒斯利用他學(xué)到的天文知識(shí),預(yù)測(cè)到了公元前585年的一次日食。這點(diǎn)可見(jiàn)于古希臘歷史學(xué)家希羅多德在其史學(xué)名著《歷史》中之記述:

“米利都人泰勒斯曾向愛(ài)奧尼亞人預(yù)言了這個(gè)事件,他向他們預(yù)言在哪一年會(huì)有這樣的事件發(fā)生,而實(shí)際上這話應(yīng)驗(yàn)了?!?/section>

據(jù)說(shuō)在那年,米堤亞和呂底亞的軍隊(duì)正準(zhǔn)備打仗,泰勒斯的預(yù)言阻止了這場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng),因?yàn)楣畔ED人將日食視作上天將懲罰人類的一種警告,交戰(zhàn)雙方自然不愿違背天意,于是便簽訂了停戰(zhàn)協(xié)議。根據(jù)現(xiàn)代天文學(xué)的知識(shí),那是公元前585年5月28日的日食,泰勒斯應(yīng)該無(wú)法準(zhǔn)確地給出日期,只能預(yù)料一個(gè)大概的年月而已。

泰勒斯晚上沒(méi)事時(shí)喜歡一邊散步一邊抬頭看天象,也冥思苦想哲學(xué)問(wèn)題,腦海中則免不了思緒翻滾、騰云駕霧。但他只知研究天上的星星,卻看不到自己腳下的大坑,有一次不小心掉進(jìn)了井里,女仆聽(tīng)到叫喊聲后,才好不容易將他救了上來(lái)。

泰勒斯對(duì)數(shù)學(xué)的貢獻(xiàn)



泰勒斯在數(shù)學(xué)方面作了不少工作,從具體實(shí)踐到數(shù)學(xué)思想都有所貢獻(xiàn),下面一一道來(lái)。

實(shí)用計(jì)算

泰勒斯利用在埃及和巴比倫學(xué)到的幾何學(xué)知識(shí),發(fā)展了以幾何物件的相似為基礎(chǔ),計(jì)算一些無(wú)法直接測(cè)量的高度或距離的方法和技巧。例如,其中包括的三角測(cè)量法,如下圖所示。他借由測(cè)量自己及金字塔的影子長(zhǎng)度,以及自己的身高,并運(yùn)用相似形的原理來(lái)測(cè)量金字塔的高度。泰勒斯亦根據(jù)此原理推算自己與海上船只的距離,以及推算懸崖的高度。

泰勒斯從金字塔的陰影估算出金字塔的高度

圖中,A是木棍長(zhǎng)度,B和C分別是太陽(yáng)照射于木棍和金字塔所形成的陰影的長(zhǎng)度。知道A、B和C,就可以計(jì)算出金字塔的高度D和陽(yáng)光與地面的夾角。

泰勒斯也使用類似的方法,測(cè)量海上船舶與海岸之間的距離。

幾何證明

泰勒斯在進(jìn)行早期的幾何研究中,確立了一些邏輯和幾何真理。他通過(guò)演繹推理得出許多數(shù)學(xué)定理和命題。其中最典型的一個(gè)稱為泰勒斯定理。

泰勒斯定理講的是:“直徑所對(duì)的圓周角是直角。”

泰勒斯并非此定理的首名發(fā)現(xiàn)者,古埃及人和巴比倫人一定已知這特性,可是他們沒(méi)有給出證明。

泰勒斯定理

如圖所示,AC是直徑,其中點(diǎn)O便是圓心,在圓周上任取一點(diǎn)B,連接B和A、C。根據(jù)泰勒斯定理,無(wú)論B在哪里,角ABC都是直角。

為證明泰勒斯定理,需要以下兩個(gè)事實(shí):

證明泰勒斯定理需要的兩個(gè)命題

1.三角形三個(gè)內(nèi)角和是180°;2.等腰三角形的底角相等。

因?yàn)镺是圓心,所以O(shè)A、OB、OC都是半徑。圓的半徑長(zhǎng)度相等。所以三角形OAB和三角形OBC都是等腰三角形。我們把兩個(gè)三角形的底角分別命名為α和β。

將ABC看作一個(gè)大三角形:

α+ α + β + β = 180°,

? 2α+ 2 β= 180°,

?α+ β= 90°。

所以角ABC是直角三角形。

在推導(dǎo)泰勒斯定理的同時(shí),泰勒斯也證明了其他幾個(gè)基本命題:

圓被它的任一直徑所平分,半圓的圓周角是直角,等腰三角形兩底角相等,相似三角形的各對(duì)應(yīng)邊成比例,若兩三角形兩角和一邊對(duì)應(yīng)相等則兩三角形全等。


理性精神

泰勒斯定理的證明是很容易的,屬于初中平面幾何的范圍。但泰勒斯對(duì)數(shù)學(xué)的貢獻(xiàn)不是在于幾何證明本身,而是在于引進(jìn)了“證明”的方法和概念。要知道,在泰勒斯之前,已經(jīng)有一大堆幾何事實(shí),但沒(méi)有任何“證明”。泰勒斯是已知的第一個(gè)將演繹推理應(yīng)用于幾何的人,在一個(gè)充滿謬誤和迷信的時(shí)代,他是第一個(gè)用邏輯推理來(lái)理解這個(gè)世界的人,這就是為什么他被認(rèn)為是第一位真正的數(shù)學(xué)家。

幾何定理為什么需要被“證明”呢?至少有兩個(gè)原因:

一是通過(guò)證明,才能確認(rèn)定理的普適性,例如泰勒斯定理說(shuō):直徑所對(duì)的圓周角是直角,只有證明之后,才確定這兒指的是直徑所對(duì)的“任何”圓周角,而不是特殊的某一個(gè)。

第二個(gè)原因是,“證明”能夠發(fā)掘幾何事實(shí)相互之間的關(guān)系,發(fā)展邏輯推理的方法。


打個(gè)比喻說(shuō):未經(jīng)證明的諸多幾何事實(shí),就像是混亂堆砌在一塊兒的一堆磚頭(見(jiàn)左圖)。而證明將它們互相關(guān)聯(lián)起來(lái),建造成宏偉的建筑物(見(jiàn)右圖)。

邏輯推理和證明的意義

其他的文明,例如古埃及、巴比倫、印度、中國(guó)等,更早的時(shí)期就發(fā)現(xiàn)了很多的“幾何事實(shí)”,都有早期數(shù)學(xué)知識(shí)的記載。但因?yàn)椴粡?qiáng)調(diào)形式邏輯,沒(méi)有發(fā)展出演繹、證明、公理化等方法,因而未成大器。

泰勒斯首開先河的“理性精神”,是數(shù)學(xué)的精髓。

泰勒斯劃時(shí)代的貢獻(xiàn)是引入了證明的思想,將數(shù)學(xué)從經(jīng)驗(yàn)上升到理論,這在數(shù)學(xué)史上是一次不尋常的飛躍。為畢達(dá)哥拉斯創(chuàng)立理性數(shù)學(xué)、歐幾里德的公理化幾何等奠定了基礎(chǔ)。較之世界其他文明,這是古希臘獨(dú)有的,使其成為數(shù)學(xué)乃至科學(xué)的奠基者。

理性思維是走向科學(xué)的第一步。具體到中國(guó),再次引用一下愛(ài)因斯坦論及科學(xué)為何沒(méi)有起源于中國(guó)時(shí)所說(shuō)的話:

“西方科學(xué)的發(fā)展有兩個(gè)基礎(chǔ):希臘哲學(xué)家發(fā)明的形式邏輯體系(如歐幾里得幾何),和文藝復(fù)興時(shí)期發(fā)現(xiàn)通過(guò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)找出因果關(guān)系的方法。”


簡(jiǎn)而言之,愛(ài)因斯坦是說(shuō),科學(xué)發(fā)源于古希臘文化,是基于兩個(gè)必要條件:邏輯體系和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。因此,中國(guó)古代并不是沒(méi)有數(shù)學(xué),而是沒(méi)有基于精密思維的形式邏輯體系。中國(guó)人腦袋中也不乏解決具體數(shù)學(xué)問(wèn)題的小技巧,但缺乏大范圍的數(shù)學(xué)思想。

所以,很有必要學(xué)習(xí)一點(diǎn)數(shù)學(xué)史,探索數(shù)學(xué)的根本精神,方能克服我們思維方法之不足,使中國(guó)成為一個(gè)真正的數(shù)學(xué)大國(guó)。

-本文作者張?zhí)烊?/strong>是理論物理學(xué)博士、科普作家,著有《蝴蝶效應(yīng)之謎:走近分形與混沌》《世紀(jì)幽靈:走近量子糾纏》《數(shù)學(xué)物理趣談:從無(wú)窮小開始》《上帝如何設(shè)計(jì)世界——愛(ài)因斯坦的困惑》《電子,電子!誰(shuí)來(lái)拯救摩爾定律?》《愛(ài)因斯坦與萬(wàn)物之理:統(tǒng)一路上人和事》《永恒的誘惑:宇宙之謎》等。《上帝如何設(shè)計(jì)世界:愛(ài)因斯坦的困惑》一書,入選了“2015年度影響力圖書” -

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