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第4章 数学的辉煌年代(2)

然而俄国数学家罗巴切大斯基的非欧几何论文,已经在这之前发表了。

就在波耶论文发表的这一年,俄国数学家罗巴切夫斯基因为车祸,几乎成了一个半残废,第二年从军队退役,回到老家。

在这以后,波耶一直过着穷困潦倒的生活。就是在这样艰难困苦的生活中,他仍然从事非欧几何的研究。

1860年,波耶逝世。他的非欧几何没有得到世人的承认。

就在波耶潜心研究第5公设,并发现非欧几何时,比他大10岁的俄国数学家罗巴切夫斯基也大体同时发现了非欧几何。

罗巴切夫斯基于1792年出生在俄国的下诺夫哥罗德,就是现在的高尔基市。他3岁丧父,由善良的母亲把他一手拉扯长大。

由于家境贫寒,生活都难以维持,母亲无法把儿子送去读书,后来在政府的救济下,罗巴切夫斯基才转为公费上学。

1808年,罗巴切夫斯基进入喀山大学学习。他更加发奋读书,努力学习。

他的思想活跃,具有生动活泼的气质,敢于主持正义,见义勇为,并且关心他人,助人为乐。

罗巴切夫斯基有坚强的意志,惊人的毅力,能勤奋地学习,不断地探索,又有良好的学习方法,因此他的各门功课都是优秀,特别是他的数学才能和独创精神赢得了全校师生的赞扬,为他后来攀登数学高峰奠定了坚实的基础。

1811年,罗巴切夫斯基大学毕业,因成绩突出而留在喀山大学任教。由于他在数学上的成就,22岁时就当了喀山大学的副教授,24岁晋升为教授。

罗巴切夫斯基在1816年出任教授后,也加入了试证第5公设的行列,通过几年的努力,他失败了。但是,在失败中,罗巴切夫斯基对第5公设产生了怀疑,并进一步认识到第5公设是不可证明的。

在第5公设不可证明的思想基础上,罗巴切夫斯基开始探索一种新的几何学体系。1823年,他在一份教学提纲中提出建立新几何体系的可能性,并把它上交给校方。

校长马格尼斯基认为,罗马切夫斯基的设想是狂妄的,彼得堡科学院认为他的学说是邪说。

在困难和挫折面前,罗巴切夫斯基没有像其他数学家那样失败后就放弃了对第5公设的研究,他的最大特点是对于大家难以解决的问题敢于提出新见解,敢于碰硬,敢于创新,勇往直前。

罗巴切夫斯基对新的几何学体系进行不断的理论探索。他提出一个与第5公设相反的假设:过直线外一点至少可以作两条直线和已知道线不相交。

这是一个与第5公设相矛盾的假设,按照这一假设应当推出与欧氏几何相矛盾的结果。但是并没有引出矛盾,而是推出了一个新的几何传统,逻辑严密。罗巴切夫斯基把这种抽象的新的几何系统最初称为“抽象几何学”。

1826年2月11日,罗巴切夫斯基在喀山大学的一次学术会议上,宣读了他的不朽论文——《几何原理的扼要简释及平行线定理的一个严格证明》。

在这篇论文里,罗巴切夫斯基提出了“过直线外一点至少可以作两条直线和已知直线不相交”的“罗氏公设”,与欧氏几何中前四条公设相结合,推出了逻辑上毫无矛盾的非欧几何,或叫双曲几何。

罗巴切夫斯基宣读论文的这一天,后来被定为非欧几何学的诞生日。

但在当时,参加学术会议的委员们根本不相信罗巴切夫斯基的学说,否定它的价值,《喀山大学学报》也拒绝发表。

罗巴切夫斯基认为:“任何科学赖以开始的起初概念是由感觉获得的,而由先天获得的是不应该完全相信的。”他坚信自己的思想是正确的,并不因为受到攻击和谩骂而退让,相反,为了维护真理而不屈不挠地坚持斗争,继续发展自己的思想和学说。

这时候,喀山大学的政治形势发生了变化。1825年老沙皇亚历山大一世死后,惯于献媚的马格尼斯基向王太子康斯坦丁大献殷勤,而贬低尼古拉。

但是他根本没有想到尼古拉继承了王位,于是被撤职,压制和打击罗巴切夫斯基就是他的罪行之一。

罗巴切夫斯基升任物理数学系主任,1827年又担任喀山大学校长。

罗巴切夫斯基就是在喀山大学这样特定的政治形势下,得以在该校的学术会议上宣读了非欧几何的论文,让世人知晓,而匈牙利的波耶作为一个服役军官,虽经种种努力和斗争,都无力使他的论文尽快问世。

罗巴切夫斯基是一位十分大胆的数学家、管理学家和教育家,对旧的传统势力和封建思想不卑躬屈膝,敢于抵制各种不正之风。

他在担任物理数学系主任和大学校长期间,对上级教育部门下达的指示有时不听,在他看来,教育部门的指示有时违反教育规律,不符合实际情况,不应该盲目执行。对违反客观规律和学校声誉的指示和意见,不管官职多大,一律抵制和反对,不怕丢官,不怕坐牢。

一些不明真相受欺骗的人,对他的正义行为经常进行诬蔑和诽谤,甚至嘲笑和谩骂,但他从不因为这些舆论而放弃自己的观点和理想,从不放弃对科学的真诚,对真理的追求。

罗巴切夫斯基在从事教育行政事务活动之余,继续研究他的新几何体系。1829年,他写成了《论几何学的定理》的论文,终于在1829年底至1830年初的一期《喀山大学学报》上发表了。

罗巴切夫斯基的不朽功绩,在于他向人类几千年来确信不疑的欧氏几何体系进行了挑战,推翻了欧氏几何是唯一可能的空间形式的说法。非欧几何的产生,改变了欧氏几何中的平行公理,是几何学的重要组成部分,对整个数学的发展起了很大的促进作用。

非欧几何是人类空间认识史上的一次质的飞跃,它后来在相对论中得到了论证,并在天体物理学和原子物理学中得到应用。

然而在非欧几何创立之初,它备受冷落,即使在波耶、罗巴切夫斯基和高斯的故乡匈牙利、俄国和德国,同样没有引起人们的重视。

到德国杰出数学家黎曼创立了一种更为广泛的非欧几何时,非欧几何才逐渐为人们所瞩目。

康托尔的集合论

科学的道路是崎岖不平的,创立新思想的人,大多受到传统势力的反对、打击和迫害,康托尔创建的集合论,是又一个典型的例子。

1845年3月3日,康托尔出生在俄国彼得堡一个具有犹太血统的家庭,11岁时,与父母移居德国法兰克福。

康托尔从小就学习勤奋,喜欢独立思考问题,并对数学产生强烈的兴趣,成为一名数学家是他的远大志向。

1863年,康托尔考入德国着名的柏林大学,按照他父亲的主张学习工程学。当时处于科学研究旺盛时期的数学大师魏尔斯特拉斯,正在柏林大学任教,他对康托尔影响很大。

康托尔越来越不喜欢工程学,在征得父亲的同意后,不久转为学习纯数学。

1867年,康托尔获得数学博士学位。他的数学论文没有什么独创性的见解,为此产生了是否授予他博士学位的争论。以严厉着称的克罗内克教授提出反对意见;而魏尔斯特拉斯等教授认为,康托尔的论文写得是很出色的,观点鲜明,证据充分,虽然没有创新,但还是基本符合博士论文的要求的。

为了激励青年人勇攀科学高峰,康托尔最终还是得到了博士学位。

魏尔斯特拉斯把这一情况告诉了康托尔,并勉励他要刻苦钻研,不断进取,多出成果,为母校争光。

康托尔非常激动,决心为数学发展作出贡献,报答母亲的关怀。

1869年,康托尔担任哈勒大学的讲师。

1872年,康托尔在研究高斯的论着时,将其数论中的一个结论,外推到适合无穷集合的情形,开始了他的集合论的研究。

我们知道,数字1的后面是2,2的后面是3,3的后面是4……那么最后边的是什么呢?数学家称之为“无穷”,从1到“无穷”组成的集体,被数学家称为“无穷集合”。

从古希腊以来,人们在讨论集合的时候,有很多问题迷惑不解。

伟大的科学家伽利略也与无穷集合打过交道,提出过一个悖论:一方面,整数和偶数可以一一对位,从而认为它们同样大;另一方面,偶数又是整数的一部分,这样一来就得出了部分可以等于整体的结论。

伽利略最终以“不可理解”而放弃了对这个问题的研究。

在19世纪以前的科学家,对无穷集合这个无底的深渊,绝大多数都是绕着走、躲开它。而康托尔勇敢地对这个深渊进行探秘。

康托尔废寝忘食地进行研究,首先熟悉一下这一领域的历史发展状况,看前人的思路是怎样的,研究不下去的问题是什么,为什么研究不下去。然后,根据自己的研究,解决这些问题,并进一步发现新问题,解决新问题。

康托尔的数学思想是有创造性的,提出了一一对应的概念,从而得出了比较无穷集合大小的方法:

比如,是整数集合大还是偶数集合大?对这个问题,康托尔采取配对的方法,把每一个整数和每一个偶数配成一一对应:

1,2,3,4,5,2,4,6,8,10……这样的排列和配对将永远进行下去,以至无穷。

康托尔的配对方法不是随意的,而是要所有的元素都恰好配对,如果能找到这种配对,那么这两个集合就有相同的“势”,或称这两个集合是等势的。

从上面的排列和配对来看,整数集合的每一个元素正好对应偶数集合的另一个元素,因此,整数集合和偶数集合是等势的。两者一样大。

于是,康托尔得出结论:如果在两个集合的元素之间可以建立某种一对一的对应关系,则这两个集合就定义为等势的,也就是大小一样的。

这是测量有穷集合和无穷集合大小的一把“尺子”。

无穷集合都是等势的吗?不一定。康托尔证明了,一个正方形面上的点的集合,并不比正方形一边上的点的集合有更高的势;一条线段上的点的集合,比自然数集合有更高的势。

康托尔研究的结果,是非常有趣和怪异的。这使他感到困惑,他说:“我得到了它的结论,但我不敢相信它。”

难道是这个结论错了吗?

康托尔检查了每一步骤,反复运算,无论是研究过程还是研究方法,都是正确的。

摩托尔深信不疑。

1874年,康托尔发表了无穷集合理论的第一篇论文,标志了集合论的诞生。

对这一篇论文,康托尔是忐忑不安的,自己怪异的结论能使数学界接受吗?同时,他也认为新生事物的产生不是一帆风顺的,过一段时间,自然会得到人们的承认,阿贝尔和伽罗华的理论就是一个例证。

然而,论文发表后,并没有引起普遍的斥责和打击。

康托尔信心倍增,1878年,又发表了第二篇关于集合论的论文,数学界仍然风平浪静。

紧接着,康托尔发表了一系列论文。

在论文中,他引进了“可列”一词,把凡能与正整数构成一一对应的任何集合都叫可列集合。他还证明了有理数集合是可列的,所有代数数全体构成的集合也是可列的,而实数集合则是不可列的。

康托尔还提出了“超穷基数”和“超穷序数”的概念,关于它们的理论,更是一大创举。

随着康托尔发表的集合论的论文不断增多,他立即遭到了一些人的攻击,有人说他“信口开河”,有人说他“无病呻吟”。渐渐地讽刺、嘲笑、围攻接踵而来,几乎压得康托尔透不过气来。

当时的权威克罗内克,对康托尔进行了严厉的批评和打击,更带动了一大批人向康托尔射去了讨伐之箭。

在巨大的压力和打击下,1884年,康托尔得了精神分裂症,并发展到精神崩溃,成了一个疯子,每天都自言自语地说:“我是对的!”“你们是错的。”

康托尔被送进了医院。

真理毕竟是真理。康托尔的集合论得到了一些数学家的支持,着名的希尔伯特说过:“没有人能把我们从康托尔为我们创建的乐园中赶出去!”

1897年,康托尔的集合论在第一次国际数学家会议上,最终得到了承认。

康托尔的集合论对现代数学的结构产生了重大影响,它在数学的不少分支得到了应用。

一代数学巨人康托尔于1918年1月6日逝世。

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