《幾何原本》:為你解讀這個世界最底層的數學規則

《幾何原本》:為你解讀這個世界最底層的數學規則


01

大明萬曆二十八年,也就是公元1600年,在一艘自上海開往南京的航船上,立著一位中年文士。他叫徐光啟,萬曆二十五年的順天府解元。徐光啟此去南京,是為了探望自己的座師焦竑。但此刻的他還不知道,這次南京之行,他將遇到一個改變自己一生的人,那就是來自意大利的天主教耶穌會傳教士利瑪竇。

徐光啟在座師焦竑家裡見到利瑪竇之後,立即被這個裝了一肚子有趣知識的外國傳教士吸引住了,兩人相談甚歡。隨後,徐光啟在利瑪竇的影響下,加入了天主教,從而成為第一個信仰天主的大明官員。

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萬曆三十二年,也就是公元1604年,徐光啟終於金榜題名,考中了翰林院的庶吉士。恰好此時利瑪竇也來到北京定居。故友重逢,格外歡喜,於是當晚徐光啟就留利瑪竇住在自己家裡,與他秉燭夜談。

利瑪竇神秘地從懷裡掏出一疊厚厚的拉丁文手稿,把它遞給徐光啟。徐光啟之前已經跟利瑪竇學會了拉丁文,他接過這份手稿,略微一看,雙眼就放出光芒,用激動的聲音說:“利瑪竇先生,這份手稿裡的內容,簡直就是天才一般的藝術品啊!”

利瑪竇微笑地看著面前這位得意門生,輕輕地說:“親愛的徐,這是來自古希臘的智慧之光,我希望你能和我一起,將這束遙遠的光傳入大明、傳入中國。”

這份被利瑪竇稱之為“智慧之光”的手稿,其實是一本數學著作。它被譽為是歐洲數學的基礎,也被認為是歷史上最成功的教科書。然而,就是這樣一本數學教科書,竟然成為全世界除了《聖經》之外,流傳最廣的書籍。

這本神奇的書,就是古希臘數學家歐幾里得所著的《幾何原本》。在問世兩千年之後,它終於來到了中國。

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1606年,徐光啟開始與利瑪竇合作翻譯《幾何原本》。兩人起早貪黑,花了大半年時間,完成並出版了這部書的前6卷。而且,利瑪竇和徐光啟翻譯這部書時所用的《幾何原本》這個書名,如今也早已成為了這部著作的標準中譯名。

但利瑪竇帶來的《幾何原本》一共15卷,他和徐光啟只翻譯了前6卷,沒過多久,利瑪竇就因病去世了,這本書後面部分的翻譯計劃也就徹底擱置了。中國人要想看到《幾何原本》的完整面目,還要再等上二百年。

徐光啟和利瑪竇未完成的事業,將由清代的數學家李善蘭和英國傳教士偉烈亞力來接力。公元1856年,李善蘭完成了對《幾何原本》後9卷的翻譯工作。至此,歐幾里得這部偉大的著作才得以完整地引入中國,並對中國近代數學的發展起到了重要作用。

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目前,市面上大概有近十種《幾何原本》的中譯本,但只有蘭紀正和朱恩寬兩位先生的譯本最為精當,至於其他譯本,大都粗製濫造,讀來無益。不過,蘭紀正、朱恩寬版的中譯本,雖然幾經打磨,但其中仍然包含著一些小小的不足,例如,對原本的文字進行了過於現代的翻譯處理。這樣做雖然更符合現代人的閱讀方式,但一字之差,很可能就會謬以千里。

為了讓讀者看到更原汁原味、更接近歐幾里得原文的《幾何原本》,果麥文化特意延請了清華大學的科學史教授張卜天,請張教授以《幾何原本》的英譯文作為底本,重新翻譯了《幾何原本》的正文,在翻譯過程中,儘可能地忠於原文,不做過分現代的解讀。而且,果麥版的《幾何原本》,還附上了原書各卷的定義、公設、公理、命題題乾的英譯文,以便讀者對照。

因此我敢說,假如你只打算在書櫃裡放一套《幾何原本》的話,那麼,它就一定是果麥文化新推出的這個版本。

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02

也許你會問:我對數學並不感興趣,也不想當一個數學家,那對於我來說,這套《幾何原本》又有什麼價值呢?

徐光啟當年翻譯完《幾何原本》的前六卷後,在譯本序中向我們闡述了《幾何原本》的重要性:“唐虞之世,自羲、和治歷,暨司空、后稷、工、虞、典樂五官者,非度數不為功。《周官》六藝,數與居一焉;而五藝者,不以度數從事,亦不得工也。《幾何原本》者,度數之宗,所以窮方圓平直之情,盡規矩準繩之用也。”

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這段話裡的“度”就是幾何,而“數”則是算術。徐光啟的意思就是說,自上古時代以來,不管你是從事水利、土建,還是從事農業、林業,哪怕是音樂這樣的藝術類專業,數學在其中都起到了非常重要的作用。而《幾何原本》又是一切數學理論的基石,因此,只有精讀並掌握了《幾何原本》的精髓,才能更好地開展各項工作。

除此之外,徐光啟在自己所寫的《〈幾何原本〉雜議》這篇文章當中,再次強調了《幾何原本》的重要性,他說:“此書為益,能令學理者祛其浮氣,練其精心;學事者資其定法,發其巧思,故舉世無一人不當學。”

最後,徐光啟總結說:“能精此書者,無一事不可精,好學此書者,無一事不可學。”

你看,徐光啟已經說的很清楚了,如果你能把《幾何原本》這樣的書都讀精、讀透,那麼在這個世界上,就再也沒有能難得住你的事情了,換句話說,學會了《幾何原本》,你就相當於掌握了這個世界最底層的規則。

至於在歐洲國家,《幾何原本》更是被奉為數學界的《聖經》。

自這本書問世以來,在漫長的兩千多年裡,《幾何原本》一直被視為純粹數學的公理化演繹結構的典範,而且,歐幾里得首創的邏輯公理化方法,以及在其背後那邏輯嚴謹的證明方式,至今仍是構建起我們眼前這座龐大數學王國的基石。

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我們都知道,在歐幾里得的幾何理論中有五大公設:

一、過兩點能作且只能作一直線。


二、線段(有限直線)可以無限地延長。


三、以任一點為圓心,任意長為半徑,可作一圓。


四、任何直角都相等。


五、同一平面內一條直線和另外兩條直線相交,若在某一側的兩個內角的和小於兩直角,則這兩直線經無限延長後在這一側相交。

這五句話看起來實在是再簡單不過,然而,15卷《幾何原本》裡的全部465個命題,全部是由這五句話推導出來的,這實在令人驚歎。正因如此,西方世界從《幾何原本》當中吸收了這種嚴謹的數學演繹思維,並形成了一種完全不同於東方文化的、充滿理性的思維方式。

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不過,歐幾里得的這套《幾何原本》也並非完全無懈可擊,其中有一處很隱蔽、但也很難被證偽的漏洞,那就是歐式幾何的第五公設。

這個第五公設,其實就是我們經常說的平行公理,它具體是說:“同一平面內一條直線和另外兩條直線相交,若在某一側的兩個內角的和小於兩直角,則這兩直線經無限延長後在這一側相交。”

這個公設在整部《幾何原本》當中,只出現過一次,並且它也無法用其他的公理來證明或推導。因此,後世有許多著名的數學家都覺得,這條公理未必是正確的。

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後來,俄國數學家羅巴切夫斯基為了驗證這條公理的正確性,提出一個“反證法”的思路,他對此加以解釋說:“我們可以用一個與第五公設相矛盾的命題,與歐式幾何當中的前四個公設組合成一個新的系統,並以此展開推理。如過推理過程中出現矛盾,那就等於證明了第五公設是正確的。”

然而,經過一番嚴謹的證明之後,羅巴切夫斯基得出兩個重要的結論:

一、第五公設不能被證明。

二、如果在這個新組成的集合體系中展開一連串推理,就可以得到邏輯自洽的新定理。

在此基礎上,1854年,高斯的弟子、德國數學家黎曼提出了一種全新的非歐幾何——黎曼幾何。

在黎曼幾何中有這樣一條規定:“在同一平面內任何兩條直線都有交點。”這就是說,我們所熟知的平行線的概念,在黎曼幾何當中是不存在的。

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黎曼提出的全新理論,第一次引入了完全不同於歐氏幾何的空間概念,這也徹底改變了人們兩千多年來對空間的認識和觀念。他的黎曼幾何理論乍一聽十分怪異,但我們完全可以通過嚴謹的證明過程推導出來。正如黎曼自己所說的那樣:

“幾何學定理無法從一般的量綱概念導出,而必須藉助那些可區分空間和其他實體的性質····我們只能研究他們的可能性,判斷是否可以延拓到可觀察範圍之外,不可測量的巨大或微小······或空間所依存的物理現實是一個離散的多樣體,或它的度量關係的基礎需追溯到它的元素的結合力的外部來源。”

而且,黎曼幾何還不僅僅是數學家的頭腦風暴,它更是開啟了新世界的大門。

黎曼幾何的思想和體系,為愛因斯坦建立相對論,提供了必要的數學框架。愛因斯坦受到黎曼幾何的影響,在廣義相對論裡徹底放棄了時間均勻性的觀念,轉而提出:時空只是在充分小的區域裡以一定的近似性而均勻,但整體不均勻——這實際上就是黎曼幾何的思想,難怪有人開玩笑地說:

“廣義相對論就像是黎曼幾何的一道應用題!”

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