《幾何原本》到底有多重要?它點亮了古代人類文明的夜空

2020-12-12 數學真美

人類從遙遠的原始大森林走出來,一路披荊斬棘來到今天輝煌燦爛的文明,依靠的就是最為強大的有力武器——數學。而史詩級著作《幾何原本》的橫空出世,則是人類文明第一次重大的飛躍,點亮了古代人類文明的夜空。愛因斯坦曾對《幾何原本》作出過非常高的評價:「如果歐幾裡得未激發你少年時代的科學熱情,那你肯定不是天才科學家。」我國明代科學家徐光啟也說:「凡是能夠精通《幾何原本》的人,天底下的事,沒有他不能精通的。那麼,這《幾何原本》為何有如此迷人的魅力呢?這還得從遙遠的古代說起。

早在公元前3000年,幾何學就已經出現,人們總結物體的長度、角度、面積和體積的經驗,用於測繪、建築、天文以及各種生產、生活用品的工藝製作。

公元前300年,歐幾裡得總結前人的幾何內容,編寫成了有著嚴密理論體系的史詩級巨著——《幾何原本》。

《幾何原本》以5條公設出發,然後進行層層推演,建立起了氣勢恢宏的「古代數學大廈」。

隨著時間的推疑,人們發現《幾何原本》的第五公設好象有問題。《幾何原本》的第五公設是這樣的:同平面內一條直線和另外兩條直線相交,若在直線同側的兩個內角之和小於180°,則這兩條直線經無限延長後在這一側一定相交。

人們覺得這條公設看起來太長,與其說是一條「公設」,還不如說它是一條「定理」,於是人們開始了長達兩千多年的漫長證明,最終分別誕生了「羅氏幾何」和「黎曼幾何」,兩種幾何統稱為「非歐幾何」。

在「羅氏幾何」裡,「第五公設」的平行公理被「羅氏平行公理代替」,即:在一個平面上,過已知直線外一點至少有兩條直線與該直線不相交。並且由此公理可以演繹出一系列全無矛盾的結論,比如:在這樣的幾何裡,「三角形的內角和小於180度」。

1854年,德國數學家黎曼又提出了既不是「歐氏幾何」也不是「羅氏幾何」的新的「非歐幾何」。在這種幾何裡的「平行公理」是這樣的:同一平面上的任何兩直線一定相交,在這種幾何裡,三角形的「內角和大於180度」。

「非歐幾何」誕生於人們對《幾何原本》所存在的一些漏洞、破綻。德國大數學家希爾伯特在總結前人工作的基礎上,在他1899年發表的《幾何基礎》一書中提出了一個比較完善的幾何學的公理體系。這個公理體系就被叫做「希爾伯特公理體系」。

《幾何原本》的偉大之處在於,它用「公理法」從幾個不言自明的「公理」出發,史無前例地建立起了一套完整的推理方法。在「幾何論證」方面,歐幾裡得提出了一些重要的「數學思想方法」:分析法、綜合法和歸謬法,直到今天,這些數學思想方法依然被人們廣泛地使用。在《幾何原本》誕生兩千多年以來,一直被人們尊稱傳播幾何知識的標準教科書,直到今天,中學課程中裡所學到的初等幾何的主要內容已經完全包含在《幾何原本》裡了。

在歷史上,幾乎所有偉大的學者都認真學過《幾何原本》,正是他們從中吸取了豐富的知識,從而為人類作出了偉大的貢獻。

比如近代科學巨匠牛頓,小時候智力平平,母親認為他不是讀書的料,以致於兩次輟學在家務農,考上大學之後學習成績也並不出色。少年時代的牛頓在劍橋大學附近的夜店裡買了一本《幾何原本》,開始他認為這本書沒有什麼特別之處,因而隨手翻了幾頁就丟在了一旁。1664年4月,牛頓參加了「特列臺獎學金考試」,原本信心滿滿的牛頓卻遭到了落選,當時的考官巴羅博士對他說:「你的幾何基礎知識太貧乏了,將來無論你怎樣用功,恐怕在學術上一事無成。」這次談話,讓牛頓仿佛跌落冰窖,來了個透心涼。牛頓回到家中,把所有與幾何有關的書都搬了出來。牛頓是幸運的,因為他並沒有將那本《幾何原本》丟到垃圾桶裡去,他將《幾何原本》反覆深入地進行研讀,越讀越有趣,越讀越開心,讀得心情澎湃、熱血沸騰,深深地愛上了這本看似其貌不揚的幾何書。

認真學完《幾何原本》之後,牛頓的數學水平達到了前所未有的高度,為以後他做出偉大的成就打下了堅實的數學基礎。多年之後,《幾何原本》的影響在牛頓的心中深深地扎了根,他仿照《幾何原本》的嚴密體系寫下了史詩級巨著《自然哲學的數學原理》,直接導致了英國工業革命的成功,促使英國成為了世界頭號強國。而同時期的中國由於清政府的閉關鎖國,數學研究幾乎陷入停滯的狀態,導致我國的科技水平遠遠地落後於同時期的世界,落後就要挨打,導致我們的國家陷入了長達百年的苦難之中。

無獨有偶,近代科學巨匠愛因斯坦小時候的智商更是處於平常人以下,老師和同學們都稱為他笨蛋,大家都不喜歡他。幸而他在12歲時接觸到了《幾何原本》,讓他瘋狂地愛上了數學,他的智慧之門在那一刻被打開了,他對科學的熱情一發不可收,14歲就自學完了牛頓的史詩級巨著《自然哲學的數學原理》,學完了包括「微積分」在內的全部高等數學,為人類作出了無可替代的偉大貢獻。

在我國古代,一直有著「重文輕理」的傳統,古代的統治者大都認為數學是「奇技淫巧」,在這種大環境下,底層一些數學家的才能無處發揮。因而《幾何原本》傳入中國的過程也是非常的艱辛。

1607年,我國明代科學家徐光啟在義大利傳教士利瑪竇的幫助下,將《幾何原本》前6卷翻譯成中文,在北京印刷發行。就在他們想繼續把《幾何原本》的後9卷翻譯完的時候,徐光啟的父親不幸去世了。徐光啟請了假,便扶柩回了上海。這一去就是三年。三年後,利瑪竇也去世了。當徐光啟回到北京時,當時的國際環境發生了變化,當時已禁止傳教士向中國人傳授西方科技,面對這些意外地情況,《幾何原本》的翻譯工作被無奈地中斷了。

這一中斷,就是200多年,直到清代數學家李善蘭在英國人偉烈亞力的幫助下,最終才於1856年完成了整本《幾何原本》的翻譯工作,對「中國近代數學」的發展起到了巨大的推動作用。

回顧《幾何原本》對人類的影響,無論如何讚譽都不足不過。人類的先行者們為了人類的發展,前僕後繼,他們偉大的精神,是人類文明進程中一座座永恆的豐碑,被人們永遠傳頌。

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