怎樣從《幾何原本》到《獨立宣言》?

《幾何原本》是人類文明的一個轉折點,而《獨立宣言》是人類文明的一個里程碑,這兩者背後有着相同的思維方式。本文就來解釋下這種思維方式是什麼,以及這種思維方式是怎麼從《幾何原本》到《獨立宣言》。

1 《幾何原本》

大名鼎鼎的歐幾里得寫了《幾何原本》,這句話反過來說可能更合適,因爲寫了《幾何原本》後,歐幾里得才得享大名:

其中的內容現在看來平平無奇,大概就是從小學到高中學習的各種幾何知識,比如勾股定理 a^2+b^2=c^2

在當時這些知識還是很重要的,《幾何原本》出版後的一兩千年中,人們都是通過這些幾何知識,來描述、研究這個世界:

1.1 思維方式

《幾何原本》問世大概八百年後,公元5世紀的普羅克勒斯給《幾何原本》做註解時提到,勾股定理的發現應該歸功於畢達哥拉斯。實際上,與勾股定理類似,《幾何原本》幾百個定理中很多都不是歐幾里得的原創。但這並不妨礙《幾何原本》被稱爲傳世之作,比這些內容更重要的是,《幾何原本》帶來了革命性的思維方式。

首先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,這幾百個定理的邏輯起點是五大公理,只要你認可五大公理,那麼後面的定理必然都是永恆正確的,無可辯駁的。

1.2 影響

由於《幾何原本》的革命性,使得它成爲了數學史上最成功、最不朽的教科書,據說《幾何原本》在西方的出版量僅次於聖經。更重要的是,它極大影響了後面數學的發展,比如微積分和概率論都建立在三大公理之上(線性代數建立在八大公理之上,太多了,這裏就不列出了):

它的影響力甚至超越了數學,比如牛頓力學受《幾何原本》的影響提出三大假設,而狹義相對論提出兩大假設,只要承認下面的假設是正確的,那麼就等價於承認牛頓力學,或者狹義相對論是完全正確的:

所以說,《幾何原本》稱得上人類文明的轉折點。

2 《利維坦》

“如果你有一把錘子,所有東西看上去都像是釘子”:

《幾何原本》中的思維方式就是那把“錘子”。任何一個學習過《幾何原本》的人,很難不擊節讚賞這種思維方式,然後想把這把“錘子”用在別的地方。比如牛頓和愛因斯坦都深受這種思維方式的影響,並且恰當地用在了自己關注的領域。

2.1 托馬斯·霍布斯

不過本文要提到使用這把“錘子”的是另外一位名人,有史以來最偉大的政治哲學家之一,16世紀的托馬斯·霍布斯:

霍布斯1588年4月5日生於英格蘭威爾特郡的馬姆斯伯裏。他是一個早產兒,當時他的母親因聽聞西班牙無敵艦隊將入侵英格蘭的驚嚇而早產,日後霍布斯常說:我母親生了雙胞胎,我的孿生兄弟是恐懼。而他的一生也確實是在社會局勢動盪不安恐懼氛圍中渡過的。他父親因與不是自己小教區的牧師打鬥,被迫逃到倫敦,並將三名子女都寄託給他哥哥法蘭西斯照顧。

1642年英國內戰爆發,國王查理一世被送上了斷頭臺,最終英國陷入了無政府狀態。霍布斯看到暴徒在欺辱他們的同胞,莊園化爲灰燼,馬斯頓荒原和納斯比淪爲血腥的戰場。霍布斯感到痛苦和絕望,他在反思,這場內戰明明是以“自由”的名義開始的(反抗國王的專制),爲什麼最後只帶來了無休止的混亂和戰爭?而且,在歷史長河中這樣的事情反覆發生,不論什麼原因導致的戰爭,最終都不能帶來真正的和平。

2.2 幾何學家霍布斯

介紹霍布斯的反思結果之前,我們有必要知道他的另外一個身份:幾何學家。霍布斯與幾何結緣是一個傳奇的故事,從未學習過數學的他,40歲的時候,偶然在一個圖書館的書桌上,看到一本攤開的《幾何原本》,書上的內容正是第47項定理,也就是勾股定理:

對於勾股定理的結論,霍布斯當時驚訝地說道:“上帝啊,這是不可能的”。於是他仔細觀看了證明過程,這使得他又去參考了書中之前的一個類似的定理,然後又參考了更之前的一個定理,就像俄羅斯套娃一樣,一直追溯到了五大公理。就這樣,他被嚴格的證明過程徹底征服,最終相信了這個定理。

這次經歷讓霍布斯迷戀上了幾何學,也見識到了《幾何原本》中的“錘子”,或者說《幾何原本》中的思考方式。霍布斯感嘆道,幾何學是“迄今爲止上帝賜予人類的唯一科學”,因爲其中每一個證明都建立在另一個更簡單的結果之上,所以人們可以逐步進行邏輯推理,從不證自明的公理出發,一直可以得到更復雜的結果。這在霍布斯看來是非常了不起的成就,終於有一門學科可以真正證明其結果,同時人們又不會對該結果產生任何疑問,進行任何爭論。

在隨後的幾年裏,霍布斯努力彌補了由於起步較晚而落下的幾何學知識,到了17世紀40年代,他已經與同時代的領先數學家保持着經常性地聯繫,包括笛卡爾、羅伯瓦爾和費馬。後來霍布斯擔任了流亡的威爾士親王的數學家庭教師,這說明他已經成爲了當時最受人尊敬的英國幾何學家之一。

2.3 《利維坦》

因爲幾何學家的緣故,霍布斯對戰爭反思的結果是,過去的所謂政治家、哲學家之所以失敗,是因爲他們依靠的是有缺陷的、不確定的推理方法,他們“按照自己的幻想來解決所有問題”。結果他們沒有帶來和平和一致意見,而是導致了衝突和戰爭。相反,幾何學會迫使人們達成共識,“因爲在幾何學中,當其他人發現了他的錯誤之後,沒有人會愚蠢到既然發現了錯誤卻還堅持這個錯誤的地步”。所以,霍布斯認爲,如果國家制度可以遵循幾何學的指引,就可以產生和平,避免內戰。

在這樣的思想指導之下,霍布斯寫了《論物體》、《論人》、《論政體》,最終成就了巔峯之作《利維坦》(下圖是《利維坦》書的封面):

在這一系列作品中,霍布斯認爲自己完全遵循了幾何模型。他的哲學體系開始於《論物體》的簡單定義,就像《幾何原本》開始於五大公理。並且正如《幾何原本》的證明過程一樣,霍布斯的政治哲學從簡單的幾何對象開始,逐步擴展到空間、物質、運動、物理、天文等方面的一系列問題。最終,在這條長長的推理鏈末端達到了整個理論體系的終極主題:國家理論。

在霍布斯純粹的理性推導出來的國家理論中,要想達成和平,唯一解決方案就是利維坦。在霍布斯的語境中,利維坦就是塵世間的上帝,人們放棄自己的自由意志,從屬於利維坦的意志;利維坦也會代表所有人的和平意願。利維坦是絕對不會犯錯的,無論它做什麼,國家中的每個人都承認並認同它的行爲,這樣在利維坦的統治下,絕對不可能再發生內戰。

上面《利維坦》書的封面畫的巨人國王,代表的就是利維坦。他頭戴皇冠,左手拿着主教的權杖,右手拿着一把寶劍,身體由國家內無數的個人組成。他統治着這片土地,保障着和平與秩序。

2.4 爭論

《利維坦》提出了前所未有的大膽構想,使得它在西方思想史上擁有崇高的地位。但如果要付諸實現,確實會引起極大的爭論(希特勒的納粹德國可能想實踐利維坦)。

隨便看一個爭論吧,有人駁斥道,利維坦橫徵暴斂,難道也是對的嗎?霍布斯的辯解是,你看看那些經歷外患或內部騷亂的國家,他們的人民對執政者往往就存在疑義。而那些能長存在沒有滅亡的國家,他們的人民從來沒有對國家發生過質疑。

總之,霍布斯這套國家理論相當難以駁斥。他自己也說,我這套理論就是基於幾何法則推導出來的,不可能錯。

3 《獨立宣言》

霍布斯在政治領域運用《幾何原本》這把“錘子”也影響了後來者,美國的《獨立宣言》爲了激發人們對其內容的信心,也採取了《幾何原本》的形式來書寫。首先提出一個公理,“我們認爲這是一個不證自明的真理:人人生而平等,造物者賦予他們若干不可剝奪的權利,其中包括生命權、自由權和追求幸福的權利”(“We hold these truths to be self-evident, that all men are created equal, that they are endowed by their creator with certain unalienable rights, that among these are life, liberty and the pursuit of happiness”):

然後推出了一系列的定理:

        (1)“爲了保障這些權利,人類纔在他們之間建立政府,而政府之正當權力,是經被治理者的同意而產生的。”

        (2)“當任何形式的政府對這些目標具破壞作用時,人民便有權力改變或廢除它,以建立一個新的政府;其賴以奠基的原則,其組織權力的方式,務使人民認爲唯有這樣才最可能獲得他們的安全和幸福。”

        (3)“當追逐同一目標的一連串濫用職權和強取豪奪發生,證明政府企圖把人民置於專制統治之下時,那麼人民就有權利,也有義務推翻這個政府,併爲他們未來的安全建立新的保障。”

在《獨立宣言》發表之前,北美大地上並沒有國家,只有一些殖民地。它們在理論上屬於大英帝國,實際上由自己管理,即“主權王有,治權民有”,最後這些殖民地在《獨立宣言》的思想框架下逐漸形成了美國。以一個邏輯的產物,《獨立宣言》作爲立國之本,這也算是人類文明的一個里程碑了。

4 缺陷

《幾何原本》看起來似乎完美,其實也有各種缺陷,下面嘗試列舉一二。

4.1 化圓爲方

《幾何原本》的優點是所有的結論都是基於五大公理的,但這也是它的缺點,即沒有辦法產生新的知識。那麼自然也無法解決超綱的題目,比如著名的“化圓爲方”問題,也就是隻通過尺規,求一正方形,其面積和一已知圓的面積相同(這個問題後來被代數學證明是無法被《幾何原本》中的知識解決的):

其實這也正常,哪有可以解決所有問題的“錘子”呢?但是因爲《利維坦》無限拓展到解決國家問題,所以很多人都藉此點來攻擊《利維坦》。霍布斯也嘗試重新修正《幾何原本》,企圖解決“化圓爲方”問題。

4.2 黎曼幾何

《幾何原本》是依賴於五大公理的,那麼五大公理本身是否正確呢?還有沒有別的公理形式呢?如果有別的公理形式,那麼究竟哪種是正確的呢?這其實是無法判斷的,就好像應該信上帝還是信佛主,也是沒有對錯的。

比如,《幾何原本》的第五公理,“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”,也可以寫成等價的形式,“給定一條直線,通過此直線外的任何一點,有且只有一條直線與之平行”。黎曼將這條修改了一下,“在同一平面內任何兩條直線都有公共點(交點)”,然後依據《幾何原本》的形式推出了完全不一樣的幾何學。這個幾何學實際上就是球面上的幾何。可以看到,在有限的球面上確實沒有平行的直線:

相對論就是基於黎曼幾何的,如果說《幾何原本》是地球上的幾何的話,那麼黎曼幾何就是宇宙中的幾何。

最新版本在:怎樣從《幾何原本》到《獨立宣言》?

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