笛卡爾與帕斯卡爾:隱居的法國人

2021-02-07 算法與數學之美



在歐洲歷史上,17世紀被認為是「路易十四的世紀」(伏爾泰語),也可以說是法⏿西作為一個大國興起的世紀。而在科學史上,懷特海則把17世紀稱之為「天才的世紀」。在這個世紀裡,法國貢獻出了三位科學天才,即笛卡爾、費爾馬和帕斯卡爾。眾所周知,費爾馬的興趣主要在純粹數學方面,尤以久而未決並最終在上個世紀末被攻克的「費爾馬大定理」聞名於世。而笛卡爾和帕斯卡爾因為多才多藝,並一度生活在巴黎,他們在世時就已聲名顯赫了。


有意思的是,以上三位天才人物不約而同地降生在外省,其中笛卡爾出生在中西部的安德爾-羅亞爾省,費爾馬出生在南部的塔恩-加龍省,帕斯卡爾出生在中部的多姆山省。這三個省份裡都沒有什麼有名的城市,離巴黎的距離各有三百到一千公裡,而他們的出生地分別是村莊、小鎮和省會(法國有九十六個省)。這一點似乎再次證實了我早先的一個論斷,即大都市不容易產生天才人物。


為了更好地圍繞主題,我們把費爾馬撇下不談。作為跨越科學與人文兩個領域的天才,我們發現,笛卡爾和帕斯卡爾有著相似的童年經歷,即幼年喪母,自小體弱多病。笛卡爾出生十四個月後,母親就因患肺結核去世,並把這個病傳染給了他;帕斯卡爾同樣也是體質虛弱,在他三歲的時候母親就去世了。幸運的是,兩個人的父親既有錢又受人尊敬,儘管對待子女的態度截然不同。


笛卡爾的父親和費爾馬一樣,是地方議會的一名顧問,他在笛卡爾的母親去世以後,移居他鄉並再婚,把兒子留給他的外祖母帶大,此後父子倆很少見面。不過,在經濟上這位父親比較慷慨,這使得笛卡爾受到良好的教育,有機會進入國王創辦的貴族學校讀書。畢業以後,笛卡爾到離巴黎更遠的普瓦捷大學攻讀法律。三年後,由於對職業的選擇舉棋不定,也為了看世界,他加入了荷蘭軍隊,後來又轉到德國。


二十六歲那年,笛卡爾變賣掉父親留下的家產,這筆錢可以讓他舒心地生活,從此能夠自由自在地做自己想做的事情了。他先用四年的時間遊歷歐洲,其中有兩年滯留義大利,然後選擇巴黎定居。正是在那一年,即笛卡爾的而立之年,帕斯卡爾的母親去世,丟下三個幼小的兒女。幸虧拉丁語學者兼數學家的父親(帕斯卡爾螺線就是他的發現)有一顆仁慈的心,他早早地從法院稅務案主審官這個位置上退下來,舉家遷往巴黎,為了教育孩子,尤其是體弱多病而又高度敏感的兒子,他沒有再婚。


老帕斯卡爾的教學方法注重解決問題,而不是材料的灌輸,從而培養了小帕斯卡爾一種好奇和冒險的精神,他的動手和實驗能力也相當出色。與此同時,考慮到兒子的體質,做父親的側重於語言教育,至於數學方面,他只講授了一些基本的原理。這反而使得兒子對這門學科更為好奇和敏感,據說帕斯卡爾十二歲那年,從未受過相關訓練的他獨自推導出了幾何學中的一條定理,即三角形的三個內角和等於兩個直角之和。

從那以後,老帕斯卡爾開始教授兒子歐幾裡得幾何。不久,父子倆一同參加了梅森神甫組織的每周一次的數學沙龍,這個沙龍是法蘭西科學院的雛形。梅森神甫是17世紀法國數學界不可或缺的人物,通過組織沙龍和秘密旅行,他同時與三位最頂尖且個性鮮明的同行——笛卡爾、帕斯卡爾和費爾馬保持密切而良好的關係。此外,他本人也以梅森素數(Mersenne Prime)在數學史上留芳。


相比之下,笛卡爾對數學的興趣來得比較晚,他是在荷蘭當兵期間,看到軍營公告欄上用佛萊芒語寫的數學問題徵答,才有了興趣。幸運的是,當時在旁邊替他翻譯的另一位士兵在數學和物理學方面有著較高的造詣,並很快成為笛卡爾的導師。四個月以後,笛卡爾寫信給這位戰友:「你是將我從冷漠中喚醒的人……」並興奮地告之,經過六天緊張的工作,他在數學上有了四個重大的發現。



聰穎的笛卡爾很早就意識到了,數學方法的本質是以命題為起點,這些命題能夠通過直覺清晰地得知是真實的,進而可以通過演繹逐步推導出其他結論。也就是說,他既考慮到了數學(可以延伸到科學)內部的嚴密性,同時又沒有忽視感性知覺。這樣一來,就消除了存在已久的權威,使人們在自我探尋方面獲得解放。這是一種非經驗主義的方法,相比亞里斯多德三段論式的形式化,它提供了一種嶄新的時代精神。


正如笛卡爾指出的,三段論法則「只是在交流已經知道的事情時才有用,並不能幫助我們發現未知的事情」。也正由於經院哲學的權威性,笛卡爾的方法論後來緩慢地通過非正式的渠道流傳西歐。在英國,它啟迪了還在劍橋大學念書的牛頓。牛頓後來在自己家的農場裡,從一隻落地的蘋果獲得啟示,悟出並得到了萬有引力定律,正是從內心裡接受笛卡爾新思想的結果。至於數學上的成就,笛卡爾的主要貢獻是在幾何學方面。


今天我們無法知道,笛卡爾當初給他的戰友兼導師信裡提到的那四個重大發現究竟是什麼。不過,在由於受伽利略被宗教法庭判決有罪的影響有意推遲出版的《方法論》的附錄裡,笛卡爾給出了一些幾何學上的發現,其中如二次曲線的分類法、曲線的切線作法以及高次方程的解法等均已經過時。如果讓筆者來歸納笛卡爾對數學的主要貢獻,可能是以下四點:


其一,算術的符號化,比如我們現在普遍使用的已知數a,b,c……和未知數x,y,z……以及指數表達式,就是由笛卡爾率先使用的。

其二,從某個原點出發,延伸出x軸和y軸,建立了歷史上第一個傾斜坐標系,並給出直角坐標系的例子,解析幾何由此得以誕生。

其三,凸多面體的頂點數v、邊數e和面數f之間的關係:v-e+f=2,後人稱之為歐拉-笛卡爾公式。

最後,笛卡爾葉形線,如今在微積分學教程裡經常可見。


不難發現,笛卡爾對數學的熱情主要來源於方法論的需要。在他看來,知識需要確定性,而數學正好提供了這一點。因此,在短暫的激情之後,笛卡爾便把興趣轉向更為廣泛的問題,即為全部科學找到解決問題的方法。事實上,笛卡爾一度對數學也寄予厚望,正如畢達哥拉斯鍾情於自然數(他的一句名言是「萬物皆數」),他認為任何問題都可以歸結為數學問題,而數學問題又可以通過代數問題歸結為方程問題。


相比笛卡爾對直覺和演繹的依戀,帕斯卡爾的數學更多來自經驗和實踐。十七歲那年,他發表了《論圓錐曲線》,不久此文失傳,直到一個多世紀以後才重又被發現。文中證明了射影幾何學中幾個深奧的結果,包括今天被稱為帕斯卡爾定理的一個結論:圓錐曲線的內接六邊形三組對邊的交點共線。儘管這項工作當年曾經遭到笛卡爾的嘲諷,如今它仍然是整個幾何學中最豐滿的結果之一。


兩年以後,為了幫助重新出山擔任魯昂地方長官的父親計算稅款,帕斯卡爾開始研製計算機並獲得成功,這是人類研製成功的第一臺計算機,雖然笨重異常,但可以進行八位數的四則運算。此後十年,帕斯卡爾繼續改良並使之完善,陸續造出了五十來臺計算機,可惜在廣告營銷方面不甚得力。留存下來的八臺機器,有一臺為IBM公司所擁有。為了紀念帕斯卡爾,上個世紀70年代初誕生於美國的一種計算機語言就用他的名字命名。


在帕斯卡爾對計算機的熱情告一段落不久,有個嗜賭如命的騎士向他討教賭博輸贏的機率問題,由此引導他深入研究,並與地處偏遠南方山區的費爾馬頻頻通信。數學史家一般認為,正是這兩個法國人的通信,奠定了概率論這一數學分支的基礎。隨後,打賭的論證也進入到他最重要的散文著作《思想錄》,成為其中最長最有名的片段之一。他的出發點是,上帝要麼存在要麼不存在,這是一個與打賭一樣非此即彼的問題。


作為概率論研究的副產品,帕斯卡爾還獲得了二項式展開係數之間的相互關係,這個係數按升冪排列的形狀在西方叫帕斯卡爾三角,它是組合數學的基本結論。其實,這個三角圖在北宋數學家楊輝的著作裡就已出現了,而楊輝稱他的結果出自已經失傳的賈憲的著作(早楊輝兩個多世紀)。因此它在中國的教科書裡被命名為「賈憲三角」或「楊輝三角」,至於它是否是賈憲本人親自發現並論證,就不得而知了。


無論帕斯卡爾還是笛卡爾,在數學以外的其他科學中都有傑出的貢獻。帕斯卡爾定律是流體力學中的一條重要定律,說的是封閉容器中流體的某一部分壓強如發生變化,將毫無損失地傳遞至其他部分和容器壁;同時,壓強等於作用力除以作用面積。而帕斯卡爾也成了國際通用的壓強單位,簡稱「帕」。在天氣預報中,我們經常會聽到颱風或龍捲風中心的氣壓有多少千帕的說法(氣壓越低風力越強)。


笛卡爾的興趣更為廣泛(這一點被後來的歌德效仿),他在光學、氣象學和生理學等方面都有涉足。例如,在氣象學上,他試圖用自己建立起來的光的折射理論解釋彩虹現象,並通過元素微粒的旋轉速度來分析顏色。在生理學方面,他的野心就更大了,消化、呼吸、 血液循環和神經系統都是他考慮的範圍,他還研究噴嚏、咳嗽和哈欠的原理、知覺的機理以及眼球的晶狀體,甚至購買屍體用來解剖。可是,他有關心臟功能的描述受到英國醫生、血液循環現象的發現者哈維的責難。正如羅素所言,笛卡爾在這些學科上的工作遠不如在數學和哲學方面出色。



在笛卡爾的所有著作中,我們都能發現一種尋求知識統一的努力,他認為各門科學既相互聯繫又各自獨立。例如,《論世界》一書就包含了熱、光、潮汐、地球的形成、彗星的特性等自然法則,他試圖將所有知識都歸納到建立在少數簡單原理之上的某個體系或科學之中,其目的是要使得自然界更為清晰。他在筆記中寫道:「如果能明白科學是如何聯繫在一起的話,我們就不難發現,掌握它們並不比記住一串數字更難。」


相比之下,帕斯卡爾並不具備這種雄心,這或許是從小處在父親的呵護下的緣故。他與兩個姐妹的關係也十分親密,她們分別在物質和精神方面給予他無微不至的關懷。加上健康狀況不如笛卡爾,年紀輕輕醫生便建議他不要過多地從事腦力勞動,消遣和娛樂成了兩帖良藥,於是乎跳舞、打球、狩獵、賭博就成了治療手段,他這才有機會認識賭友並研究機率。可以說,帕斯卡爾的天才使得他攻無不克,同時也妨礙他思考數學和自然科學的統一問題。


隨著年齡的增長,笛卡爾和帕斯卡爾不約而同地把對物質世界的興趣轉向精神世界。笛卡爾寫出了《方法論》《論世界》《沉思錄》及《哲學原理》;帕斯卡爾則留下了《致外省人書》和《思想錄》。不同的是,由於伽利略的受審和被判定罪,使笛卡爾更多地沉湎於形上學的抽象,這對哲學有利而對科學不利;而帕斯卡爾由於篤信宗教和愛情的缺失,字裡行間蘊涵了更多的虔誠和情愫。


如同前一節開頭所引述的,笛卡爾是把哲學思想從傳統的經院哲學的束縛中解放出來的第一人,黑格爾等後輩尊其為近代哲學之父。作為徹底的二元論者,笛卡爾明確把心靈和肉體區分開來,其中心靈的作用如同其著名哲學命題所表達的:「我思,故我在。」儘管這一氣度不凡的表達受到了羅素等人的質疑,它仍不失為哲學史上最有力的命題之一。


相反,帕斯卡爾對人類的局限性有著充分的理解,他很早就意識到人類的脆弱和過失,他對世界的思考意在克服內心的焦慮,尋求一種確定性,就如同笛卡爾在數學中尋找確定性那樣。而對帕斯卡爾來說,無窮的小或無窮的大都讓他感覺到驚詫和敬畏,他的數學發現是在有限的空間裡得到的,在談到宇宙時他寫道,「這些無限空間的永恆沉默使我恐懼」,而微小的寄生蟲又使之如臨「新的深淵」。


帕斯卡爾是那樣地篤信上帝,《思想錄》原來的書名叫《辯護》,因為此書是在他去世後才出版的,編輯替他改了名字(這一修改現在被證明是正確的,否則它的影響力肯定要大大降低)。在這部堪稱法國文學的精品裡,帕斯卡爾是這樣勸告那些懷疑論者打消疑慮的:「如果上帝不存在,則你們相信他也不會失去什麼;而如果上帝存在,則你們相信他就可以獲得永生。」


在《思想錄》裡,有一段論及父親之死的文字:「如果沒有耶穌基督,死亡是可怕的,是令人憎惡的,是自然界醜陋的一面。然而,在有了耶穌基督之後,一切全然改變了,死亡是那樣地仁慈、神聖,是信仰者的歡愉。」儘管如此,帕斯卡爾仍把懷疑主義看成是信仰的序曲。當然,他的懷疑主義更多是建設性的,而非破壞性的。他認為,真正的宗教必須比其競爭對手更好地詮釋人類的處境。


笛卡爾也有宗教信仰,並且不厭其煩地用多種方法證明上帝的存在,就像高斯對同餘理論中二次互反律的痴迷一樣。他的確自認為已經證明了,只是使用的方法並不如他在數學中那麼漂亮。儘管他是用迷人的個性化手法寫下的,但按照羅素的說法,它基本上屬於經院哲學的套路(羅素本人則迴避了信仰問題)。更有甚者,其中一個本體論的證明後來受到了康德的嚴厲批評。


笛卡爾認為,人的心靈基本上是健全的,是獲得真理的唯一手段。因此,他對待上帝的態度是可疑的,甚至有可能像蒙一樣,僅僅出於習俗的原因才有信仰。而在思維或方法論上,笛卡爾則是一個徹底的懷疑主義者,對他來說,懷疑是一種必要的手段,是哲學和心理學方法中的一個工具。他認為,我們從童年時代起就有了許多偏見,如果得不到糾正,會持續到成年,他進一步指出:「懷疑是一門藝術,它使我們脫離感覺的影響獲得解放。」



儘管笛卡爾和帕斯卡爾的年齡相差二十七歲,兩人共同旅居巴黎的時間也十分有限,他們仍在某種意義上構成理性和智慧上的對手。1647年的一個秋日,大名鼎鼎的笛卡爾探望了年輕的帕斯卡爾,對後者發明製造的計算機表示讚賞。一般認為,這是他倆唯一的一次會晤,笛卡爾還給正在遭受疾病折磨的帕斯卡爾一些醫學上的教導和囑託。


可是,對帕斯卡爾關於真空存在問題的實驗和研究,笛卡爾卻不以為然,他認為真空是不存在的,強調在真理的發現中起決定性作用的並非實驗。事實表明,笛卡爾的否定是錯誤的,真空在一定的條件下是存在的。與此同時,帕斯卡爾也批駁了笛卡爾的某些哲學觀念,例如對科學過於倚重,強調理智不能認識人生。帕斯卡爾認為:「心靈有其自己的思維方式,那是理智所不能把握的。」這一點並不奇怪,就像笛卡爾在旅途中所發現的:「各地習俗之不同,猶如哲學家見解之各異。」


無論如何,笛卡爾和帕斯卡爾之間的論爭是在理智和學術的範圍內進行的。事實上,他們兩個人都不愛拋頭露面。笛卡爾成年以後,大部分時光居住在荷蘭,在這個多處地方低於海平面的國家,他不願意把自己的住處告訴別人,包括一些親近的朋友,為此還多次更換寓所。他的座右銘是:「隱居得越深,生活得越好。」而帕斯卡爾既沒有進過學校,也沒有謀求公職,他去得最多的或許是梅森神甫的沙龍,他一度頻繁光顧社交場所也是出於醫生的建議。


值得一提的是,在17世紀的法國,類似梅森神甫那種研討科學和哲學的沙龍在上流社會非常流行,就如同今日中國(步美國的後塵)的文化媒介每每聚焦於娛樂和商業明星,那個時代的理性生活才是巴黎人矚目的中心。也正因為經歷了無限風光和令人羨慕的生活之後,笛卡爾和帕斯卡爾才想過另一種避世的生活。另一方面,比他們稍早的法國同胞、人文主義作家蒙田也曾在三十七歲的時候賣掉自己的官職,退出社交生活,回歸自己的莊園。


1655年新年剛過,三十一歲的帕斯卡爾繼妹妹之後,進了巴黎郊外的波爾羅尼亞修道院。此後,他只是在別人請求時才寫作,再也不用自己的名字發表(包括數學論文),他的兩部散文名作都是在這個修道院隱居期間寫成的。而在一個牙痛難忍的夜晚,他還研究了擺線的運動規律,並得出了一系列結果。所謂擺線是指通過在一條平坦的大道上沿直線滾動的車輪圓周上一點的運動軌跡,它有著「幾何學中的海倫」的美譽。


從某種意義上講,笛卡爾和帕斯卡爾的生活處於兩個極端。一個從小特立獨行,另一個自幼得到家庭成員的溺愛;一個周遊列國,另一個似乎從未離開過法國。對於帕斯卡爾是否體驗過愛情的滋味,持肯定態度的人只能從他的散文作品裡尋找線索,而笛卡爾生活中的兩個女人和一個夭折的女兒是公開的秘密。不過,大凡天才的思想家都只需要一小會兒熾熱的戀情,最好是可望而不可即的那種。


在這兩個法國人的生命中,必須要提及的兩件事是,笛卡爾的幻覺和帕斯卡爾的皈依。1619年初冬的一個夜晚,隨軍駐紮在德國烏爾姆(愛因斯坦的出生地)的笛卡爾產生了一系列的幻覺或夢想,歸納起來,可以理解為揭示人生使命的一種啟示,即他的著作應該根據幾何學原理將所有的知識統一起來。在這之後,笛卡爾才決心變賣掉他父親留下的家產,以便集中精力做自己想做的事。


帕斯卡爾的兩次皈依則相隔了八年時光,第一次使他說服全家加入了宿命論的冉森主義,第二次使他背棄早先的意願進了波爾羅尼亞修道院。這兩次皈依起因於偶然事件,其結果雖然沒有讓他完全放棄科學研究,但至少那已不再是他渴求的東西;另一方面,法國文學卻因此添加了兩部傑作。據說帕斯卡爾自小擅長辭令,說話幽默風趣,這可能是他的著作留傳後世的一個原因。對笛卡爾而言也是如此,他成為近代哲學的開山鼻祖,不能不說是與那幾個夢有關。


笛卡爾人到中年的時候,五歲的女兒死於熱病,他的幸福時光戛然而止。此後,他愛上一個比他年輕二十多歲的貴族小姐,從此陷入一種無法擺脫的精神折磨,直到另一個至高無上的女人出現,那便是瑞典女王克利斯蒂娜。女王派出一艘軍艦把笛卡爾邀至斯德哥爾摩,於是在那個格外寒冷的冬天,從小愛睡懶覺的法國人不得不每周三次在凌晨時分來到王宮,為她講授哲學。幾個月以後,笛卡爾因為肺炎復發死在異鄉。

「人只不過是一根蘆草,是自然界最脆弱的東西,」帕斯卡爾在波爾羅尼亞修道院裡這樣寫道,「但他是一根會思想的蘆草。」帕斯卡爾的苦行僧生活極其嚴格,當他發現自己說話太多,便把一條布有鐵釘的帶子綁在身上以示懲罰。不過帕斯卡爾有一顆博愛的心,在他短促的生命最後一年,親手為巴黎市民設計了第一輛公共馬車,並建議成立了一個公司來運作這種新的交通工具,這大概是今天所有公交汽車公司的前身。


∑編輯 | Gemini

來源 | 《數學傳奇:那些難以企及的人物》


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    勒內·笛卡爾,法國哲學家、數學家、物理學家。 坐標系作為我們現在非常重要的基礎數學工具,在數學、軍事、定位等等諸多方面發揮了極大的作用,然而許多人並不知道,這其實是一次意外的發現。
  • 笛卡爾的哲學:什麼是「我思故我在」?
    馬克思在《神聖家族》中說:「法國唯物主義有兩個派別:一派起源於笛卡爾,一派起源於洛克。後一派是法國有教養的分子、它直接導向社會主義。前一派是機械唯物主義,它匯入了真正的法國自然科學。」笛卡爾把這條原理當做第一哲學原理,這個原理主要強調的是思維與存在的同一,一般稱為「Cogito,ergo sum」(我思故我是)。人們很容易就可以想像到,一個存在的人必然是有思想的,而一個正思想的人也必然是存在的。我是一個人,我可以把人的一切規定性都抽象掉,但唯獨不能抽掉那個「我」。
  • 解析幾何之父笛卡爾
    笛卡爾於1596年3月31日生於法國,於1650年2月11日逝世於瑞典斯德哥爾摩,是世界著名的法國哲學家、數學家、物理學家。他對現代數學的發展做出了重要的貢獻,因將幾何坐標體系公式化而被認為是解析幾何之父。