书城科普读物解释世界秩序的工具——数学
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第13章 趣谈“算术”(3)

寻找未知的“奇数完全数”

从1952年开始,人们借助高性能计算机寻找完全数,至1985年才找到18个。而迄今为止,发现的30个完全数,统统都是偶数,于是,数学家提出猜测:存不存在奇数完全数?

1633年11月,笛卡尔给梅森的一封信中,首次提出了奇数完全数的研究。可惜直到他死也未能找到。而且至今,没有任何一个数学家发现一个奇数完全数。这又成为世界数论的一大难题。虽然谁也不知道它们是否存在,但经过一代又一代数学家的研究计算,有一点是明确的,那就是如果存在一个奇数完全数的话,那么它一定是非常大的。对奇数完全数是否存在,产生如此多的估计,也算得上是数学界的一大奇闻了。

寻找负数的光辉

从数学发展史看,我国是最早使用负数的国家。我国数学巨著《九章算术》中除了引进正负数的概念之外,还完整地叙述了正负数的加减运算法则。

不过,《九章算术》并没有完全解决正负数的乘、除运算问题。“负负得正”这一法则,是公元11世纪我国宋朝的《议古根源》一书中阐明的。毫无疑问,这在世界数学史上是首开先河的,也给世界数学史带来一份十分可贵的财富。

不被理解的负数

在国外,印度大约在公元7世纪才开始认识负数。欧洲直到十二三世纪才有负数,但那时的西方数学家并不太欢迎它,甚至认为负数不是数。例如法国大数学家韦达,他在代数方面作出了巨大贡献,但却努力避免引进负数,在解方程求得负根时统统都舍去。1544年,德国人斯梯弗尔还把负数称为“荒谬”、“无稽”。由于他们将“0”看作“没有”,所以不能理解“比没有还少”的现象。

在几何中闪耀光芒的负数

负数的不被理解一直到了1637年,法国大数学家笛卡儿发明了解析几何学,创立了坐标系和点的概念,负数才被赋予了几何意义和现实作用。这也确立了它在数学中的地位,并逐渐为人们所公认。

低温的负数世界

随着现代科学技术的迅猛发展,负数已经越来越多地进入了我们的生活。现在我们一起去探寻低温的负数世界吧,看一看负数是怎样在那里施展它的才能的。

在地球的南极点附近,人们测出世界最低气温为-94.5°C。不过据前苏联科学家称,他们曾在南极东方站测得-105℃的气温,但这个数据没有得到证实,所以未被国际承认。

人的骨髓在-50℃的条件下,可保存6到12个月。

日本一家公司开发了一种制冷可达到世界最低温度-152℃的冷藏柜。这种冷藏柜用于保存人体细胞和血液,甚至可以涉足更高的医学领域。

1969年6月4日,有个名叫索卡拉斯?拉米尔兹的人,从古巴逃至西班牙。飞机在9142米的高空飞行,而他藏身在客机未加压的轮空内,并在-22℃的严寒下,忍受了8个小时。

在月球表面,“白天”温度可达127℃。太阳落下后,“月夜”气温竟下降到-183℃。

1967年1月,美国著名心理学家詹姆斯?贝德福特因患肺癌而住进了洛杉矶市郊疗养院。他拿出所有存款请求医院将他冷冻处理。随后,科学家们将他的体温降至-73℃,用铝箔包裹住整个身体,放入低温密封储藏仓,最后用-196℃液体氮急速降温。几秒后,贝德福特的身体变得如同玻璃一样脆。

贝德福特曾留下遗言:希望人类有一天能征服癌症,并且能找到将冷冻的生命复活的方法,使他能从密仓里活着走出来。据说,现在美国已有300多具期待复活的冰尸。

无理数的发现

在古希腊,研究几何是一种时尚,许多有学问的人都研究几何。毕达哥拉斯就是一位在几何学上表现出色的大数学家。当时,毕达哥拉斯手下有许多门徒,他们都是愿意为研究数学奉献一生的人。

口出“谬误”的人

现在我们都知道,除去整数、分数这些有理数之外,还有无理数。但那个时候如果有人说“世界上除了整数和分数之外,还存在其他的数”,那么他一定会被大家公认为是口出谬误的人,一定会被置于死地。而这个他,就是毕达哥拉斯的弟子希伯修斯。

找不到的“分数”

事情要追溯到2000多年前的古希腊。那时希腊的手工业、商业、航海事业都有较快发展,促进了各国政治、经济、文化的交流,科学研究气氛也很浓厚,涌现出一批哲学家、数学家、天文学家。

这一时期最伟大的数学家毕达哥拉斯,组建了毕达哥拉斯学派,这个学派既是学习团体,又是政治、宗教团体,有着严格的清规戒律。毕达哥拉斯教他们学习数学知识,但不准把学到的知识传给外人。若是谁有了新的发现,也都归毕达哥拉斯。违背这些规定的人就要被处死。比如,会员必须宣誓“绝不把知识传授给外人”,否则将接受严重处分,甚至极刑——活埋。

勾股定理引发的危机

规矩虽严格,但毕达哥拉斯学派对古希腊数学的发展却也作出了突出贡献。著名的勾股定理就是这个学派成员智慧的结晶,称为毕达哥拉斯定理。不过在毕达哥拉斯学派证明了勾股定理后,遇到了一个没法解决的问题:如果正方形长为1,那么它的对角线L呢?勾股定理里L=?这个数是整数还是分数呢?

照毕达哥拉斯的观点,L是一个比1大又比2小的数,所以它不是整数而只能是分数。然而他们费了九牛二虎之力,也没有找出这个分数。

找不到的“分数”原来是新成员

发现这个神秘数的是毕达哥拉斯的一个学生——勤奋好学的希伯修斯。他断言,边长是1的正方形对角线的长既不是整数,也不是分数,而是一个人们还未认识的新数。

希伯修斯的发现推翻了毕达哥拉斯的论断——“世上只有整数和分数,除此之外,就没有别的什么数了”。因此,当毕达哥拉斯知道后,感到十分恐慌,他立即下令封锁这个“发现”,并扬言,谁敢泄露给学派以外的人,立即处以极刑。

聪明的希伯修斯预感到这个发现会为他带来灭顶之灾,但因为对学术的热爱,他一边坚持自己的发现是对的,一边暗地与伙伴们进行研究。结果却一传十,十传百。毕达哥拉斯恼羞成怒,认为这个人胆敢亵渎他神圣的权威,背叛自己的学派。于是,立即下令追查泄露机密的人,这个人当然就是希伯修斯。

用生命代价换来的真理

希伯修斯闻声逃走,却最终逃不出毕达哥拉斯学派的追兵,这其中还有他的对头克迪拉。终于,希伯斯永远地沉睡在了地中海里。可是,他发现的新成员“无理数”并没有随着他一起下沉,也没有永远地被“无理”下去。

15世纪意大利著名画家达·芬奇将这种数称之为“无理的数”;17世纪德国天文学家开普勒称之为“不可名状”的数。这种叫法也算是在“纪念”毕达哥拉斯学派的“无理”吧。

无理数的存在终于得到了证实。

新发现带来的深远影响

希伯修斯的发现,第一次向人们揭示了无理数的存在,并对2000多年后的数学发展产生了深远的影响。促使人们从依靠直觉转向依靠证明,推动了公理几何学与逻辑学的发展,并且孕育了微积分的思想萌芽。

毕达哥拉斯学派证明了勾股定理,结果促使希伯修斯发现了一种新的数,震撼了毕达哥拉斯学派的数学基石──万物皆依赖于整数。希伯修斯为了追求真理,献出了自己宝贵的生命,这就是人们称作的第一次数学危机。