数学被人们认为是严密而精确的推理学科,它有系统而严格的思维特点。然而从数学发展的角度看,这最精确的科学也发生过很多次动摇,到20世纪,它的严密再一次受到怀疑。

如果回顾过去的话,数学最少有三次危机。

第一次是和谋杀案联系在一起的。

公元前的6世纪,毕达哥拉斯学派认为:“任意两条线段的比都是整数比”。他说的既有整数也有分数,分数也可以表示成两个整数之比。

结果后来出现了一个问题:如果正方形边长是1的话,那么对角线值是多少?

毕达哥拉斯发现了勾股定理,问题同样可以改成:直角三角形,两条直角边都是1,那么斜边长是多少?

毕达哥拉斯冥思苦想,埋头细算,熬过许多不眠之夜,竟然得不出来!最后,他认为这个数太可怕了,于是下了禁令:任何人都不许提这件事,也不许研究。

在学派中有一名成员叫希伯索斯。他对未知充满探索的兴趣,他不顾禁令,偷偷研究这个正方形对角线与边长的比例问题。这个问题扩展后,就是求正方形对角线长度与边长的比例。

希伯索斯进一步研究了正五角形。结果发现,当正五边形的边长为1时,对角线既不是整数也不是分数,这可怎么办?

当时,人们的数只有整数和用整数比来表示的分数,没有其他的数了,而希伯索斯发现的这个数竟然不是个“数”!

这个发现在学派的内部流传开来,人们惶恐不安,毕达哥拉斯学派的首脑们得知以后,研究了希伯索斯的发现,认为这真是“荒谬”的东西,简直是魔鬼的化身!

当时的毕达哥拉斯学派宗教色彩十分严重,他们对自然的看法也是人们中最权威的。毕达哥拉斯“万物皆数”的话成为毕达哥拉斯学派的真理和教规,但是希伯索斯的发现竟然让“物”不能用数来表示!于是学派内部封锁这个发现,以免动摇人们对他们的权威信仰。并且不允许任何人研究这方面的数,不管是正方形还是正五边形。

然而希伯索斯仍在探索,毕达哥拉斯学派被惹火了,把这个“异教徒”投入大海。希伯索斯可能是第一位为研究思维和自然的奥秘而不幸献身的人。

第一次数学危机就是这件事,希伯索斯发现的是无理数。无理数被后人所证明存在。现在,我们轻易地知道正方形对角线与边长之比是。

第二次数学危机是微积分发明之后。

微积分对自然科学的有力描述引起了贝克莱大主教的恐惧,他也精通数学,对牛顿提出了种种反驳。

这些矛盾主要体现在无穷小概念上。无穷小是微积分的基本概念。在牛顿的推导中,他用了无穷小作分母进行除法运算,之后他又把无穷小量看成零,去掉了它们,得出了公式。这些公式经物理学使用,证明是正确的,但是推导过程却是自相矛盾的。

无穷小到底是零还是非零?用作除法中的除数,证明不是零,可是后来又消去,近似于看成零,这怎么说得通呢?不能任意变动一个数,随心所欲是不对的。

18世纪,人们一直陷在微积分的矛盾恐慌之中,这就是数学史第二次危机,它让人们迷失了数学的确定性,直到19世纪柯西提出极限的系统理论后,这次危机告以结束。

20世纪初,智者罗素出现在哲学、数学、文学等各个领域。罗素提出集合中的一个悖论,用通俗语言来说,他在1912年提出了理发师问题。引发了第三次数学危机。

理发师悖论是:

某村一位理发师有一个声明,他只给村子里那些自己不给自己理发的人理发。那么问:理发师本人的头发谁来理呢?

要是理发师不给自己理,他就符合自己所声称的,那么他就应该给自己理;可是他给自己理,就成了给自己理发的人,那么他不应该给这种人理发,所以又不该给自己理。

两面都不是,怎么办?

罗素提出的悖论是集合悖论。用数学来表达,就是集合有两种:

第一种集:集本身不是它的元素;

第二种集:集本身是它的一个元素,比如一切概念构成的集合,一切集合构成的集合。

如果按照上面的前提,每一种集合不是第一种就是第二种。如果设第一种集的全体构成一个集合,那么这个集合属于哪一种呢?

要是属于第一种,那么就是可以认为集合本身是它的一个元素,则应归第二种。若是归到第二种,则又该归到第一种。

这就是集合悖论。人们的数学基础之一就是集合论,集合的确定性等性质是现代数学的几乎全部基础,但罗素悖论直到现在仍然是人们争论的问题。哥德尔提出了“公理集合”,这都是现代数学的复杂问题。

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