这里是厦门|虚数如斯重要,幸好人类没错过,不然21世纪的自然科学将无法继承



这里是厦门|虚数如斯重要,幸好人类没错过,不然21世纪的自然科学将无法继承
本文插图
回顾整个数学的发展史 , 每向前一步 , 都是那么的艰辛崎岖和惊心动魄 。 为了数学的发展 , 数学家们耗尽了一生的心血 , 甚至为此付出了宝贵的生命 。
【这里是厦门|虚数如斯重要,幸好人类没错过,不然21世纪的自然科学将无法继承】“数系”的第一次具有划时代意义的扩充 , 是将“无理数”纳入“实数系” , 希帕索斯为此付出了生命的代价 。 希帕索斯的发现是极为重要的 , 他第一次向人们揭示了“有理数系”的缺陷 , 也引发了人们对“连续统”概念的深度思索 。
因为“实数系”是“连续统”的原型 , 因此 , 有时人们直接把“实数系”称作“连续统” 。
“连续统”概念的提出 , 成为了“微积分”思惟最早的萌芽 。

这里是厦门|虚数如斯重要,幸好人类没错过,不然21世纪的自然科学将无法继承
本文插图
“连续统”的概念继承扩充着 , 人们将由“点”组成的“线”称为“一维连续统” , 由“线组成的面”为“二维连续统” , 由“面”构成的“空间”为“三维连续统” 。
“第一次数学危机”的解决 , 极大地促进了数学的发展 , 直接引发了两种后果 , 一方面 , 这次“危机”促使人们从以往的“依赖直觉和经验”的思维方法向“依赖证实推理”的思维方法转变 , 极大地推动了“公理几何学”和“逻辑学”的发展 , 直接导致史诗级巨著《几何原本》的诞生 。 另一方面 , 人们开始普遍认为由“算术”推导出来的结论远远没有“几何”推导出来的结论严谨 , 因而走上了“轻算术”重“几何”的道路 , 直接导致了“数系”的扩充陷入了长久的停滞 。
但是离开了“算数”的“几何学” , 终极无法解释像x+1=0这样一个最简朴的“二次方程”为什么在整个“实数范围”找不到解 。 人们开始意识到“几何”与“代数”都是重要的 , 二者都不可偏废 。
1637年 , 大数学家笛卡尔发明了“平面直角坐标系” , 第一次将“几何”与“代数”相结合 , 创立了具有里程碑意义的“解析几何学” 。
“解析几何”在代数与几何之间架起了一座桥梁 , 从此以后 , “几何”概念用“代数”来表示 , “代数”也可以用“几何”形式来表示 。 人们从此不必再纠结到底是“几何”重要仍是“代数”重要的题目了 。

这里是厦门|虚数如斯重要,幸好人类没错过,不然21世纪的自然科学将无法继承
本文插图
同年 , 笛卡尔在其《几何学》中第一次提出了“虚数”的概念 。 笛卡尔之所以取名为“虚数” , 就是与“实数”相对应 。 在当时的笛卡尔看来 , “虚数”实在是一个不存在的数 。 虚数被提出之后的很长一段时间里 , 包括莱布尼兹、欧拉等大数学家在内的学术权威 , 都不承认“虚数”有实际意义 。
纵观整个数学的发展史 , 从每一个新的概念的提出到被广泛的承认 , 其过程都是漫长而艰辛的 。 “虚数”的提出也不例外 。
如果说“无理数”的诞生之初还有希帕索斯坚信它的存在 , 并且为追求真理而付出生命 。 那么“虚数”在刚诞生之时 , 没有任何人以为它有实际的意义 。 在那个“负数”本身的意义都令人怀疑的年代 , “负数的平方根”就显得更加荒诞乖张 。 由于实际生活中根本无法找到可以用“虚数”来表达的量 。 那时的人们普遍认为“负数的开方”是没有任何意义的 , 就如今天的“一个数除以零”没有意义一样理所当然 。
直到笛卡尔发明“直角坐标系”之后 , 他猛然发现 , 虚数a+bi的实部a可对应平面上的“横轴” , 虚部b可以对应平面上的“纵轴” , 这样虚数a+bi可与平面内的点(a,b)对应 。 这时人们发现 , “虚数”并不“虚” , 它与“横轴”上的“实数”一样真实 。分页标题
于是 , 人们给“虚数”重新定义:将“偶指数幂是负数的数”定义为“纯虚数” , 表示为i^2=-1 。 同时给出这样的定义:“虚数”不存在“算术根” , 既没有“正负”也不能比较大小 , “实数”和“虚数”组成的一对数命名为“复数” , 在“复数范围”内看成一个数 , 它的表达式为:a + bi 。 其中实数a和b分别被称为复数的“实部”和“虚部” 。
挪威测量学家维塞尔提出把复数a+bi用“平面上的点”来表示 , 后来高斯又在此基础上提出了“复平面”的概念 , 从此 , 复数终于在“近代数学大厦”中占据了一席之地 。

这里是厦门|虚数如斯重要,幸好人类没错过,不然21世纪的自然科学将无法继承
本文插图
在今天 , 复数在“水利学”、“地图学”、“航空学”中有着非常广泛的作用 , “虚数”的地位也越来越重要 。
“虚数”被发现的意义是重大而深远的 , 它是今天“量子力学”直接的理论基础 , 终极引发了“电子学”革命 。 人们都说:假如人类真的错过了“虚数” , 那么就不可能诞生“量子力学” , 那么21世纪的“自然科学”将失去其最根本的支柱 , 无法再继续下去 。