宗教爭鬥中的無窮小

牛頓大神在數學、物理演算中,經常會用到“流數”(fluxions),也就是現在稱之爲的無窮小。比如,下面是牛頓計算 x^2 導數的過程,其中的 \mathrm{d}x 和 \mathrm{d}x^2 都是“流數”:

 

喬治·貝克萊(George Berkeley,1685-1753),也稱爲貝克萊主教,對這種做法進行了激烈的批評,說“流數”在運算中突然消失(指上面“忽略 \mathrm{d}x ”這一步),就好像一個鬼魂:

 

這確實是蠻嚴重的、又切中要害的批評,在嚴肅的數學運算中,怎麼能憑空讓某個量消失呢?所以在微積分發展歷史中,貝克萊主教的評論在很長的時間都是籠罩在上空的烏雲,直到後來魏爾施特拉斯嚴格定義了什麼是無窮小之後才消散。

關於貝克萊主教的疑問,我們已經另文解釋過了,本文想討論的是另外一個問題,爲什麼喬治·貝克萊,聖公會的主教,著名的英裔愛爾蘭哲學家,在數學上的業務能力這麼強?又爲什麼會對牛頓提出質疑?阿米爾·亞歷山大在《無窮小》一書中回答了這個問題,簡單來說就是,歐洲中世紀,宗教爭鬥無處不在,數學也是重要的必爭之地。下面,我們來進行更詳細的解釋(文中涉及到很多歷史,紕漏之處,望大家指正)。

1 改變世界面貌的一次宗教裁定

1632年,5位身穿黑袍的教士,聚集在位於臺伯河左岸的羅馬宮殿裏,他們代表天主教會正在對意大利著名的數學家、物理學家、天文學家伽利略·伽利萊(Galileo Galilei,1564-1642)的某項研究進行裁決。這個研究是,討論線段可不可以看作由無窮多個、長度爲無窮小的點構成(具體的討論請參看這裏):

 

最後他們作出決定,不贊成該項研究,禁止在教會內傳播(下圖是油畫《伽利略在宗教裁判所》):

 

這次裁決並非是孤立的事件,更多關於無窮小的裁決紛至沓來。最終,在整個天主教世界,尤其是大本營意大利,各種關於無窮小的學說,都被禁止研究、討論,更不能向他們的年輕人傳授(當時,天主教舉辦了很多學校,這些學校往往都是名校,所以在教育界的影響力也是很大的)。

作爲希臘遺產繼承者之一,意大利一直保持着傑出的數學傳統,最終在黑暗中孕育出了文藝復興運動,成爲了人類文明的轉折點,並且在這之後的一段時間,它的藝術和科學激勵了整個歐洲(下圖是油畫《雅典學院》,象徵著文藝復興全盛期的精神):

 

但是,天主教會對無窮小的否定,事實上完全停止了高等數學在意大利的發展。而更寬鬆的英國、法國繼續在討論、研究無窮小,其中重要的結果是,牛頓發明了微積分,並與萬有引力一起在數學上描述了整個“世界體系”。可以說沒有微積分,就沒有現代社會。

正是從這個時候開始,曾經充滿着活力和創造力的意大利,逐漸淪爲了歐洲經濟的邊緣地帶,開始落後於歐洲北部的主要競爭對手(當然,這麼說有點過於誇大這一次裁決的意義,意大利還有別的問題,比如羅馬教皇非常保守,禁止了所有異端學說;意大利本身也不是統一的國家,是由國王、公爵、大公以及教皇統治的許多小公國組成的混合體,內鬥不斷,諸如此類)。

2 古希臘的神與《幾何原本》

天主教會爲什麼會關心“無窮小”?這需要從古希臘人對神的認知開始說起(下圖是油畫《雅典娜與勝利的宙斯》):

 

2.1 神就是“第一因”

在希臘人的認知中,所有的事物發生都是有原因的,而神是一切終極的原因,或者稱爲“第一因”。比如,下雨是因爲有云;云爲什麼會在空中,是因爲風吹過來的;那爲什麼風要往這邊吹,這是因爲神的意志。再比如,亞里士多德提出的地心說,地球靜止在宇宙的中心,太陽、月球、水星等圍繞着地球在運動。爲什麼它們會一直旋轉呢?當然是因爲神的推動。爲什麼它們不會像皮球一樣墜落到地球上呢?也是因爲神居住在最高天,它們對神明充滿嚮往,所以一直懸浮着:

2.2 《幾何原本》

可能就是遵循上述思想,歐幾里得創作了大名鼎鼎的《幾何原本》:

書中提出了五大公理,這些公理(歐幾里得以及當時的大部分人認爲)都是一些很簡單的事實,都是不證自明、毋庸置疑、顯而易見:

(1)從一點向另一點可以引一條直線

(2)任意線段能無限延伸成一條直線

(3)給定任意線段,可以以其一個端點作爲圓心,該線段作爲半徑作一個圓

(4)所有直角都相等

(5)若兩條直線都與第三條直線相交,並且在同一邊的內角之和小於兩個直角,則這兩條直線在這一邊必定相交

然後通過邏輯推理,或者說通過演繹法,得到《幾何原本》中的幾百個定理。也就是說,這五大公理是整個幾何學的終極原因,或者稱爲“第一因”。對於某些希臘學者而言,這不就是神在數學上的最好體現嗎?或者說,這不是論證了神的存在嗎?

3 天主教與《幾何原本》

3.1 興辦教育

1517年,馬丁·路德(Martin Luther,1483-1546)在德國維滕貝格的諸聖堂門前貼出了《九十五條論綱》,強烈質疑羅馬教廷關於藉金錢換取上帝赦罪(即贖罪券)的行爲,極大地挑戰了天主教會的權威,最終促成了基督新教的興起:

 

在這樣的背景下,天主教會加大了傳教的力度。除了傳統的教堂之外,又開始興辦教育。由於天主教會深厚的底蘊,使得教會舉辦的學院有着大量的傑出老師,整個天主教的貴族和富有的平民都趨之若鶩。這些學校多數分佈在歐洲,但遠在日本長崎、祕魯利馬也有教會學校。這稱得上是一個真正的世界範圍內的教育體系,可謂空前絕後。下圖是該龐大教育網絡的中心,羅馬大學:

 

教會學校培養出了一代又一代受過良好教育且虔誠的天主教徒,離開學校之後,這些學生大部分都會在社區教會中擔任領導職務,進而影響更多的人。最終,興辦教育這一舉措使得天主教會在與新教的鬥爭中,獲取到了競爭優勢。

3.2 世俗科學的裁決

爲了吸引更多的世俗學生,除了神學之外,教會學校也提供很多實用的學科,其中就包括數學。教會學校的數學主要教授《幾何原本》,這是因爲克里斯托佛·克拉維斯(Christopher Klau/Clavius,1538-1612)說服了教會,使得教廷相信,幾何學的永恆規則就是上帝的化身,而不容反駁的五大公理象徵着上帝的權威。下圖是克拉維斯的畫像:

 

當時各種天文學、地理學的新理論在不斷涌現,教會學校也要去甄別哪些理論可以進入校園(以及整個天主教世界),主要判斷依據就是這些理論是否有害於“信仰”。比如,尼古拉·哥白尼(Nicolaus Copernicus,1473-1543)的日心說最終被裁決爲違背《聖經》,禁止(在校園內以及整個天主教世界)傳播(下圖是《哥白尼與他的日心說》,圖中哥白尼右手邊的板子上畫的就是日心說的示意圖):

 

同樣的,當時的“無窮小”學說與《幾何原本》是衝突的(實際上歐幾里得創作《幾何原本》的時候,已經有“無窮小”的相關討論了,因爲其中存在種種不確定性,他刻意迴避了“無窮小”),所以就出現了文章開頭的一幕,整個“無窮小”學說都被令行禁止,以便維護上帝的權威(“無窮小”存在很多不確定性,教會更擔心其中的討論會帶來創新、革命,最終又像新教崛起一樣,損害教會的權威)。

4 英國與無窮小

和天主教會的大本營意大利不同,英國爲了擺脫天主教會的控制,很早就擁抱了新教。雖然天主教仍然是國教,但新教也擁有合法的地位。在學術上也是一樣的,約翰·沃利斯(John Wallis,1616-1703)作爲創始人之一,成立了倫敦皇家學會,允許各種學術討論,當然其中也包括“無窮小”的學說。下圖是沃利斯的畫像:

 

倫敦皇家學會成立至今,它的會員幾乎囊括了所有的偉大科學家。艾薩克·牛頓爵士(Sir Isaac Newton,1643-1727)從1702年開始知道1727年去世爲止一直擔任皇家學會會長;開爾文男爵威廉·湯姆森(William Thomson, 1824-1907,熱力學之父)曾於1890年到1895年擔任學會會長;查爾斯·達爾文(Charles Robert Darwin,1809-1882,進化論)、阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein 1879-1955,相對論)、斯蒂芬·霍金(Stephen William Hawking,1942-2018)等都是該學會的會員。

對“無窮小”學說的保護,是英國學術自由的一個縮影,在其它因素的共同作用下,發展爲了歐洲強國,最終開啓了工業革命,成爲一代世界霸主:

 

5 總結

本文雖然沒有直接闡述貝克萊主教的相關歷史,但從一個側面我們能夠理解他爲什麼數學能力這麼強(教會學校有數學學習的傳統),以及爲什麼要去質疑牛頓(因爲他的理論與《幾何原本》的相沖突,不嚴謹,充滿不確定性)。

天主教需要一個完全可知的、確定無比的數學,但是正如作者阿米爾•亞歷山大在《無窮小》結尾所說:“想要構造一個完全可知的、理性的數學世界的任何企圖,不僅在政治上是危險的,而且在科學上也是一條死衚衕。”

最新文章在(可能有不定期更新):宗教鬥爭中的無窮小

發表評論
所有評論
還沒有人評論,想成為第一個評論的人麼? 請在上方評論欄輸入並且點擊發布.
相關文章