《万物皆数》:拉近你和数学的距离

        为什么很多人一提到数学就会露出厌恶、恐惧、心虚的表情?因为他们了解到的只是数学的结论和枯燥的名词,而非有趣的研究过程。

        一片叶子为什么能够精准的分成两半?松塔、向日葵和海螺有什么相似之处?蜘蛛网和蜂巢的形状为什么这么规则?候鸟的队列中隐藏着什么秘密?......自然界看似平凡普通的现象,在数学的世界里都暗暗符合奇妙而简单的规律。

        每天上午,当太阳与地平线成30°夹角时,六角形组成的六角柱状体蜂巢开始苏醒,蜜蜂中的“侦查员”开始工作,寻找蜜源,然后将方位、距离、数量以“舞蹈语言”报告给同伴,它们精准的计算能力使得蜂王派出的工蜂不多不少,能够恰到好处地完成指定任务;排成人字形飞行的丹顶鹤,总是可以精准地将夹角控制在110°,而每条边与前进方向的夹角54°44′8″则与金刚石结晶体的角度不谋而合;当海螺被切成两半,它的内腔就呈现出完美的“黄金螺旋”,而这种螺旋使得向日葵种子的生长自始至终没有缝隙,松塔不论是呈正向或是反向螺旋,它们的行数一定符合1,3,5,8,13,21......的斐波那数列(每个数字都是前两项之和),这就是数学的魅力。

        自从美索布达米亚平原上的人们用楔形文字开始表示动物数量,数学就从大自然和被计量的物体中解放出来,变成抽象的符号;因为田间地头的需要,几何学得以问世,他们用直角三角形测量土地,用走路测量距离和国土面积,更有甚者利用太阳光线的倾斜角度、以骆驼代步的方式测量了地球的周长,可敬的是,这个误差仅有2%!

        复杂归于简单的探索让人们不断进发,泰勒更是做出了数学史上前所未有的表述,将个例变为普遍规律:“一个圆的任意直径将该圆分为等面积的两部分”,从此以后,数学真理可以用简洁又概括的方式表示,无论对于所包含的哪一种个别情况来说,都是成立的,自此,“定理”一词诞生。然后,毕达哥拉斯勾股定理,阿基米德对π的计算方法,欧几里得的《几何原本》都是数学史上的伟大发明,而卡西定理建立的三角函数,为今天的JPS定位做出了巨大贡献。于是,数学演变成一门赋予不同事物以同样名字的艺术,它能够表达人们肉眼看不到却可以确切理解的意义。

      随着数学的抽象性与普遍性不断蔓延,公元628年,印度学者婆罗摩笈多的著作《婆罗摩修成体系》中首次提出数字零和负数以及它们的算数性质的完整描述,是和非有了新的表述方式,例如:“我在火星上漫步”和“我在火星上漫步0次”; 公元8世纪,波斯数学家为了帮助人们解决日常生活中可能出现的问题,撰写了《还原于对消计算概要》一书。本书以一种独立于问题本身的抽象方法,详细介绍了解决问题的过程,几个世纪后的欧洲,它们终于被命名为应用题和方程式;1547年,三次方程的解法被公开,卡尔达诺被认为是第一个征服它的人,故称为“卡当公式”,代数学发展壮大。

        同时,这门寻找真相与美的学科,逐渐成为一门解释世界的科学语言。正如伽利略在《试金者》中所说:“自然的内在规律被数学法则控制,人们可以通过不断地试验发现这些规则”。牛顿发现了万有引力定律,计算出哈雷彗星的回归周期,又与莱布尼茨共同发展出微积分,17世界末的瑞士,伯努利通过实验实验提出了大数定律,开创了概率论,1919年爱因斯坦广义相对论被证实......到今天,已经没有任何一条严谨的物理学理论敢用除了数学语言之外的其他语言进行表述。

      19世纪末,数学的广阔发展促使研究者们前所未有地主动增加合作机会,试图将自己的学科打造成一块不可分割的整体,带着这种推动力,数学迈入20世纪。2016年,电子计算机阿尔法狗击败围棋选手李世石,富有创造性地学习型算法问世。

        的确,在几乎所有的科学领域,我们总是能够发现那些特别美的事物,从天文学家提供的天体照片中,我们惊叹于星系的形状、彗星闪闪发光的尾部,或者星云瑰丽的色彩。我们的自然能够如此优雅地使用数学语言和我们交谈,奇迹的出现并不在于万有引力、电磁现象、时空的相对变形......而是所有的这些现象都能用简洁的令人吃惊的数学语言表达。爱因斯坦用一个简单的公式 E=mc² 就可以表达物体质量和能量转换的规律,于是他不禁感叹:“宇宙最不可理解之处就是它居然可以被理解!”

        数学的本质到底是人类的发明还是一种独立的存在?数学家到底是创造者还是发现者?我们无法确定答案,但至少通过数学,我们能对未知的世界多一些认知,至少在讨厌数学时也能知道我们该恨谁。其实,数学家有时候也不知道自己在干什么,往往是去世很久后,他们创造的秘密和真正的属性才完全被揭开,又或许我们依然猜不出这些数学未来会被怎样运用,只有时间知道如何给出合适的距离——来欣赏数学创造所具有的真正价值。所以,即使你不爱数学,也别阻止孩子们对这一美丽语言的探索,别害怕与数学近距离接触。

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