两条平行线,始终没有相交的可能,这不仅是大众的常识,也是几何学的基础,出现在我们日常课本中。
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但却有人大言不惭的提出了反对意见,声称平行线也可以相交,最后遭到社会民众抨击后郁郁而终。然而在他死后十二年,这个反常识的论断居然被证实,并开创了一个新的数学领域。这是怎样一段传奇故事,又给我们带来什么启示呢,让我们从古老的数学谜题开始说起。
古老谜题:第五公设
公元前三世纪,古希腊数学家欧几里得写下了跨时代意义的宏伟著作《几何原本》,欧几里也成为几何学的开山鼻祖,一直以来其地位神圣不可侵犯。
在书中,他创造性地提出了五大公理和五大公设。这五条公理和四公设,或源于观察,或源于经验,总之,欧几里得认为它们是绝对成立的,也不需要再加以证明的。
但第五公设与其他公设不同,它表达冗长,理解起来费劲,和我们普遍认同的简洁性公理不同。
数学家们致力于简化第五公设,但它仍不能做到“不证自明”,于是数学家们提出如果可以用前四大公设来推导出第五公设,那么第五公设就可以得到验证了。
但是直到18世纪末,用前四大公设来推导出第五公设这个古老谜题仍然没有被解开。
少年天才:巧思“反证”解谜题
1792年,罗巴切夫斯基出生在一个普通的中产家庭。
罗巴切夫斯基从小天赋异禀,是一个少年天才。从小他就对数字异常敏感,5岁自学代数和几何,一路跳级。
1807年,年仅15岁的罗巴切夫斯基考入喀山大学。喀山大学是九所俄罗斯联邦大学之一,曾培育了一代文豪托尔斯泰。
19岁,经过四年的学习,他获得了物理、数学双硕士学位。毕业后他留校工作,24岁成为大学教授,35岁因为卓越的工作成绩被选举为喀山大学校长。
当时,学界醉心于解决“第五公设”这个世界难题,年轻气盛罗巴切夫斯基也加入其中。
一开始,罗巴切夫斯基从正向思维出发,致力于用前四公设来推导第五公设,但是无论经过多少次推导演算,都不能证实第五公设。
按道理说,假设条件固定,推导过程没有错误,但就是不能得出结果,那就只有推导方法存在突破的空间了。
但如果按照正向推导思维,可能正确的推导方法无法估计,这不仅受限于个人的认知水平,还受限于有限的数学工具。
就在这时,罗巴歇夫斯基转变思维,突发奇想的尝试用反向思维来“反证”第五公设。该反向思维可以通过简单的例子来理解:“中国大陆不存在黑天鹅”。
要正向的证明这个假设,就要把中国大陆上所有的天鹅观察一遍,看是否有不存在黑色的天鹅。
可想而知,即使已经有很多种统计工具,但这种正向的证明方法仍然不能100%的证明该假设。
而罗巴歇夫斯基的反向思维另辟蹊径:既然正向无法验证,那么在假设非“是”即“否”的情况下,如果能证明否命题为假,就可以证明是命题为真。
在黑天鹅假设中,如果在中国大陆找到一只黑色的天鹅,那么原假设就是错误的,同理,反证思维是:如果不能证明“中国大陆存在黑天鹅”,就可以证明原假设是可证实的。
在第五公设问题上,罗巴歇夫斯基沿用了这个思路。他先新设立了一个与第五公设相反的否命题,再用四公设来推演第五公设的否命题。
如果推演过程存在矛盾,那就说明否命题不成立,反向证明了是命题可被证实。
但结果出乎意料之外,推演过程严丝合缝,否命题被证实了。而且在推演过程中,他还发现了更多“反常识”的结果,如三角形内角之和不等于180度、锐角一边的垂直线可以和另一边不相交等等。
这个结果让人惊讶、不能理解,但是经过多次反复检验,他确定证实了第五公设不成立,他为此结果感到欣喜。
郁郁而终:求知路上的孤行者
但这一“反常识”的结果没有得到学界的认可,更让他遭受了同行的讽刺打击,大众更是对罗巴歇夫斯基嗤之以鼻,质疑他的专业性。
一开始,罗巴歇夫斯基在学校内发表他的论文。1826年,他在喀山大学的学术会议上发表了他的看法,但是没有得到同事们的认可,三大数学界的泰斗西蒙诺夫、古普费尔和博拉斯曼组成的鉴定小组震惊、疑惑,认为这位年轻教授是受到了什么刺激,最后竟写不出书面意见来。
无疑,罗巴歇夫斯基没有得到校内学者的认可。
但他没有放弃,决定在国内寻求其他人的理解。
1832年,罗巴切夫斯基将这篇论文呈递给彼得堡科学院进行专业审评。这样一篇几乎推翻之前所有理论的论文,彼得堡科学院的专家认为是无稽之谈,是想要出名的幻想家,在书面意见中专家毫不留情地抨击罗巴切夫斯基的想法,语言极尽挖苦。
后来他发现,在俄罗斯是没有人会认可他了,于是开始尝试着争取国外表发论文,获得认可。
当时德国的数学泰斗高斯也注意到了这篇论文,并私下写信告诉罗切夫斯基他的想法,他们两对这一公设有一样的看法。
但高斯的赞扬只在私下的信中流露,高斯担心这样反常识的想法会让他遭到“愚民”的抨击。正如罗切夫斯基现在的遭遇那样。
罗切夫斯基“到处宣扬”他的论文,反而让普通公众也对他极尽嘲讽,认为他的学说是想象几何学。
民众们以自己的认识来反驳罗切夫斯基,让他在现实中找出案例,但当时大家都还没有三维的概念,他只能确认他的验证过程不存在问题,但不能在现实中找到案例。
不久后,罗切夫斯基被卸下所有职务,离开他热爱的学校。但他仍然坚持求真求知,在晚年时光中,他顶着大家对他的不理解,在学生的帮助下筹备一本新书《论几何学》。
1856年2月12日,在罗巴切夫斯基儿子死后不久,他郁郁而终。
惊天逆转:促使非欧几何诞生
1868年,在罗切夫斯基去世12年后,意大利数学家贝特拉米证明了罗巴切夫斯基的学说,两条平行线可以在曲面上相交,大众对几何学的认识从二维迈向三维空间。
由此之后,以罗巴切夫斯基的几何学为基础,与欧几里得几何学不同的几何学说被称为非欧几何。爱因斯坦相对论的发表,少不了非欧几何学说的沉淀。
而罗巴切夫斯基最终得以正名,他就像黑暗中的勇士,奋力用生命划开一个小口子,让后世学者得以在这一丝微光中继续探寻真理,继而发现了非欧几何。喀山大学也塑造了一座他的雕像。
回望这位数学天才的故事,思维禁锢是可怕的病毒。它让学术权威主义盛行,学术界的风气恶化,高知学者研究创新受阻。它让普通民众盲从、无法分辨真伪、容易被误导。
是一个又一个像罗切夫斯基这样的科学家,执着的追求真知,才让我们有机会拓展新认识,促进新发展。推掉思维里的强,摆脱思维禁锢,将有助于提升个体的独立思考、创新能力,推动社会进步和人类文明的发展。
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