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數學三次危機(三)“希帕索斯悖論”或“畢達哥拉斯悖論”

作為古希臘著名的數學家,畢達哥拉斯最重要的數學成果是證明了勾股定理。然而,具有戲劇性的是,由畢達哥拉斯建立的這一定理卻成了畢達哥拉斯學派教學信仰的“掘墓人”,並在數學界掀起了一場軒然大波。

在前面的介紹中,我們已經知道畢達哥拉斯及其學派把“萬物皆數”作為基本信念。在他們看來,一切事物和現象都可以歸結為整數與整數的比,這就是所謂“數的和諧”,而他們相信宇宙的本質就在於這種“數的和諧”。在這種觀念下,他們對幾何量進行了研究,讓我們看看他們是如何比較兩條線段長度的。

在比較兩條線段a與b(設a>b)的長度時,如果出現b恰好是a的正整數倍r,我們可以直接用a作為兩者的公共度量單位。更一般情況下a的正整數倍不等於b。這時,可以去找一條小線段d,使a可以分成d的某整數(比如n)倍,同時使b可以分成d的另一整數(比如m)倍,那麼畢達哥拉斯學派就把小線段d作為a與b的公共度量單位,並說線段a與b是可公約或可公度的

(d就是兩者的共同度量單位)。

這個過程相當於先用短些的線段當尺子去量長的。如果一次量盡,度量結束;如果一次量不盡,就用餘數作為新的尺子去量那個短些的線段,如果量盡,度量結束;如果還量不盡,就再用新的餘數作為尺子繼續量下去,直到某一次餘數等於零,結束度量。這時,結束前一次的餘數就是我們要找的共同度量單位(輾轉相除法)。

對任意長度的兩條線段來說,畢達哥拉斯學派成員相信上面的操作過程總會在進行有限步後結束。他們相信:只要把單位線段取得適當的短,總可以把兩條線段同時量盡,而發現更小的度量單位只要有耐心就可以了。因此,任意兩個同類量是可通約的,或者說是可公度的。

給你一把尺子去量黑板的長和寬。假設結果是,長2米8分米,寬1米6分米8釐米。我們可以這樣分析:如果第三條線段用1米作為單位,長寬都不是整數倍;如果第三條線段去1分米,長是它的28倍,但寬是16.8倍,但還不是整數;但如果用1釐米,長是280被,寬是168倍,都是整數倍。你看,答案是肯定的。或許你說,上面用尺子量太不準確了。好,拿出你的新式武器:遊標卡尺或螺旋測微器來試試怎樣?當你費了九牛二虎之力時,我只需要輕描淡寫地說:毫米不行,你可以去微米,這總行了吧。

最終,當你玩夠了這一把戲時,你會相信:似乎在任何情況下,這樣的第三條線段都應該是存在的,只需將第三條線段取得很短很短就行了。毫無疑問,我們總可以使得兩條線段是第三條線段的整數倍!這樣的結論怎麼可能錯呢?我們已經通過實驗的方式證實了,任何兩條線段都是可以通約的,這一命題顯然是對的。無論憑直覺還是通過實驗我們都已經證明這是顛撲不滅的真理。於是,我們可以明白,當畢達哥拉斯學派提出:“任何兩個量都是可公度的”時,古希臘人是如何坦然地接受了這一似乎是無可懷疑的結論。懷疑可作為公共度量的第三條線段的而存在,似乎是十分荒謬的。不是嗎?

答案就然是:就不是!

轉折是從畢達哥拉斯提出並證明勾股定理開始的。具有戲劇性與諷刺意味的是,正是他在數學上的這一重要發現,卻把他推向了兩難的尷尬境地。他的一個學生希帕索斯在擺弄老師的著名成果時,想到這樣一個問題:正方形的對角線與邊長這兩條線段是不是可通約的呢?既然任意兩條線段都是可公度,那麼一定可以找到一個度量單位來度量正方形的邊和對角線。換句話說,總存在一個長度,使正方形的邊和對角線都是這個長度的整數倍。然而,經過認真的思考,希帕索斯意外地發現這兩條線段不存在共同的度量單位,不管度量單位取得多麼小,都不可能。一句話,正方形的邊和對角線是不可公度的

我們目前所知道的是,無論如何,希帕索斯在當時提出了自己的非凡發現:存在不可公度量!這可是一項傑出的發現!在此之前,作為老師的畢達哥拉斯,在學生做出新的發現時總會很高興地認可學生的成績,因為他並非心胸狹窄之人。然而這次他並沒有為此歡欣鼓舞,相反陷入極度不安之中。如果不贊同它,理智上無法接受,學生的論斷畢竟找不出毛病。如果贊同,感情上太難接受了。因為這一發現對他及其學派來說是致命的,它將完全推翻他自己的數學與哲學信條。於是這就導致了“畢達哥拉斯的兩難”。兩難處境下,他在學派封鎖這一發現,把它作為一個嚴加防範的祕密,禁止成員向外透露。

對這類數量所取的名字是最好的證據,這種不可度量的數被他們叫做“阿洛貢”,這個詞有一層意思就是“不可說”。上帝創造的和諧的宇宙竟然出現了無法解釋的破綻,此事應絕對保密,以免他因事情暴露而把憤怒發洩到人類身上。不過後來希帕索斯本人還是把發現洩露了出去,並得到了老師的“獎賞”。

不管希帕索斯的結局如何,我們所知道的是希帕索斯因為自己的發現得到的結局並不美妙。被後人稱為“智慧之神”的畢達哥拉斯不是有勇氣承認自己的錯誤,而是想通過暴力壓制真理,這一做法令他一生蒙羞,成為他人生中的最大汙點。然而真理畢竟是撲不滅的,希帕索斯提出的不可公度問題,逐漸在社會上流傳開來。史稱“希帕索斯悖論”或“畢達哥拉斯悖論”。