《科学简史》是一本关于世界科学发展史进程叙述的著作,主要论述了科学规律的演变、数学与逻辑、无限的逻辑等科学哲学问题。
在《科学简史》一书中,亨利·庞加莱这位科学研究大师也阐述了他对空间、时间和量子论等问题的看法,是亨利·庞加莱的代表著作,同样也是他科学思想的精粹的总结。
《科学简史》融合了庞加莱的“科学与猜想”“科学的价值”“科学与方法”,建立了对科学最基本的流行定义和看法。本书虽为科普类读物,却没有以往科普类图书那般枯燥乏味,它带有极强的趣味性,能够将读者引入浩瀚无垠的宇宙时空当中,能够极大地提高读者的阅读兴趣。
Chapter 01 数字思维——从无到有的科学猜想
世界在变化,社会也在日益进步,人类经过了千百年的不断演变,慢慢的成为了思维的主宰。思维对于人类社会的发展来说具有决定性的意义,而思维的存在恰如其分的引来了科学的产生,科学与人类的思维息息相关,而看似无可挑剔科学的进步却离不开数学思维的产生,所谓的数学思维就是数学地思考问题和解决问题。思维指的是人脑对客观现实的概括和间接反映,属于人脑的基本活动形式。
数学思维也就是人们通常所指的数学思维能力,即能够用数学的观点去思考问题和解决问题的能力,进而去完成一系列生活问题的解决。数学思维既是抽象的概念又是实质的思维运行,它存在着很多方面比如转化与划归,从一般到特殊、特殊到一般,函数映射的思想,等等。
一般来说数学能力强的人,基本体现在两种能力上,一是联想力,二是数字敏感度。前者能够把两个看似不相关的问题联系在一起,这其中又以构造能力最让人折服;后者便是人们对数字所展现的实质实物的敏感度,如金融分析等一系列的能力。这两种数学能力并不是单一存在的,两种能力可以结合并存。
1.数学思维的宿敌——推理方法
数学思维是理性思维中最为重要的一种,它的存在有助于儿童思维敏捷的发展,也正因为如此,数学被列为了教育中最重要的学科之一,但数学的作用不仅仅止步于此,数学的多种思维属性构成了学者眼里的科学。在除数学以外的科学里,很多冲突都需要人们去逐步研究化解,这种科学以看到的眼前实物为准,但得到的科学结论却往往会令大多数人怀疑。
但当数学这一思维出现在了科学的世界里,所有的错误结论的来源就都露出了马脚。数学思维的存在让科学的推断不在是单一武断的进行,所有的道理都化为了逻辑推理。数学思维的推理在很大程度上都是在原有概念上的延伸,最后得出的推论可以表达为不同的言说形式。
世间万物皆有自己的根源,数学思维的推论也不是空来之风,新的理论的产生往往离不开旧事物的衍生,就像世间万物牵一发而动全身一般,万物都可以从某种意义上说是完全一样的本体。
抛开世间万物的本体不谈,我们回到大家一致认可的公理上,也就是推论结果的源头。数学思维的用处在于推理出新结论的产生,但当结论的定点已经走向尽头,到了不能说是对是错的地步时,我们不能将这个推理过程叫做解决问题的过程。
也就是说,在数学这门学科当中,很多情况都是存在冲突甚至是无解的。如果科学能够通过当下的现象推断出结论,那么这些结论是否还有被怀疑的理由?如果世间所有的道理都来源于逻辑推理,那么所有的数学理论在很大程度上是否就成为了一些所谓的概念,只不过表达出来的方式不同而已。这样看来,推论的作用不是引导我们去发现新的理论,反而是说万事万物的本源是相通的,它们在某种意义上来说是完全一样的。这时候,我们是不是就可以说,世界上所存在的一些理论都只是被用来证明A就是A?很显然这是难以服众的。
我们不妨回到推论的源头上,假设这个源头已经是最前端,不能再往前推了,即这就是一切开始的地方,是一个无法判定对与错的地方,一个数学逻辑在此便会失去作用的地方。我们把这个源头奉之为大家最初所公认的公理,但我们同时也很清楚,这算不上解决问题的方式。即便我们对于推理的本质形成了充分的了解,仍旧无法证明所有的问题都能够得到解决。
倘若没有一个新的公理介入我们的研究,我们便再也无法得出任何新的理论。推理能够分析出来的事情往往带有大量的主观情绪,通常我们依靠自己的第一感觉便可以得出这个推论,并且就此找到这条路尽头的结论。因此,或许所有的逻辑推理不过是我们内心深处的想当然。
推理已经令我们眉头紧锁了,这时候若是再接触数学,恐怕将会遇到更加令人震惊的现象。如果数学科学是一本书,那么每一页上都将描述着把我们认知到的东西进行总结分类。这难道就是所谓的数学规律吗?那还如何表述“利用有限的信息去推出尽可能多的结论”呢?
倘若数学科学被定义成一门纯分析的学科,亦或是来源于我们的推理分析。那么是不是就意味着所有人都将会明白数学,只要他足够聪明,擅长推理,再稍微接触一点数学。若真如此,我们到还希望能够发明出一种浅显易懂的语言,能够帮助所有人去轻而易举的了解数学。
当然,这些结果是不容易被承认的。这样一来,我们就必须认同数学逻辑的本身具备一种创造性的特质,它与推理在结果上是不同的,甚至存在非常大的区别。这就像我们在探究未知情况时,把同一种推理方法用在两个相同的数字之上,毫无疑问结果是相同的。但我们必须知道这样的推理方式是完全没有意义的。
所有的证明方法都存在分析的成分,这样一来,人类的情感便会被带入,所谓的证明方法就此变得没用起来。不管是已知的还是未知的推理方法,在数学面前都是毫无用处的。
即便如此,推理法仍旧活跃在科学社会当中,并且正以不可或缺的姿态充斥着数学家们的思想。
德国数学家布莱尼茨曾经做过一次颇有名气的证明——验证2+2=4.验证过程如下:
首先,我们假设数字“1”已经被定义,这时候我们提出一个“x+1”的概念,并将其作为一个整体。
其次,我们根据上述概念再来定义数字“2、3、4”,我们把已经被定义的“1”和“x+1”带入,于是便出现了:
(1)1+1=2
(2)2+1=3
(3)3+1=4
这样一来,数字“2、3、4”也被定义完成了。
同理,我们可以用同样的方法定义“x+2”:
因为“x+1”已经被定义了,“x+2”可以做出“x+2=(x+1)+1”的变形。接下来便是最后的验证步骤:
因为当“x=2”时,
可得出(x+1)+1=(2+1)+1的形态,
又因为“2+1=3”
所以“(2+1)+1=3+1”
因为“3+1=4”
而“(2+1)+1=3+1”可以写成“2+1+1=3+1”
变形为2+2=(2+1)+1
2+2=3+1
因为“3+1=4”
所以最终得出“2+2=4”.
在上述的一连串推理当中,其成分几乎从纯粹是分析,在我们看来,这其实根本就不是所谓的演示证明。但数学家们却反驳道:“这是验证!”
事实上,我们掉进一个漩涡之中,旋涡式我们完全已知的概念,并且所有人都能够确认它们的存在,但我们沉迷于探寻已知的事物而无法自拔,还自认为找到了梦寐以求的新事物。所有的证明,包括其中的验证过程实际上都是毫无用处的,前者身陷纯分析而不自知;而后者完全没有什么作用。
验证之所以没有意义,是因为它所得出的结果不过是已知的论点的开始,就像绕到另一条路上也同样到了目的地一样。不过,真正的证明是存在的,也是有意义的,它所证明出来的结论总会比已知的论点更具一般性。而科学就是一般性的写照。
所以,即便“2+2=4”的证明过程存在某些验证的成分,那也只能作为一个特例。倘若数学中的每一个特殊事例都能以这样的形式被验证出来,那么所谓科学的威严便荡然无存了。这就像博弈之时奕手策划下一步的棋局,里面承载着太多的变量和未知数,这算不上科学,因为科学是离不开一般性的。
前言
Chapter 01 数字思维——从无到有的科学猜想
1.数学思维的宿敌——推理方法
2.在算数的“领地”探寻完整的数学逻辑
3.数学逻辑的本质:从已知到未知的推理
4.重复论证——数学科学的御用思维
5.追溯不可通约数的神秘“身世”
Chapter 02 几何理论 ——见证平面几何到欧几里得几何的蜕变
1.一本《几何原本》牵出的溯源之论
2.几何与空间:一份虚拟而必然的联系
3.非欧几里得几何的冲击力量
4.欧几里得几何的又一对立者:黎曼几何
5.由平行公理塑造的推论“金字塔”
6.非欧几里得的空间维度
7.深谙前进与发展之道的几何理论
Chapter 03 科学价值——探寻那屈居“幕后”的艺术价值
1.拉动真理的两架马车:分析与实践
2.无数次的“多此一举”才能换来一个真理
3.大胆想象——打开新世界的大门
4.贴近大自然,发现世界的奥秘
5.科学事实与粗略事实的“博弈”
6.诞生于假想之下的宇宙常量
7.科学与事实:二者是等同的吗?
8.科学客观性的前提——联系
9.存在即真理:科学永远存在目的性
Chapter 04 数学逻辑——寻找走近科学的方法
1.科学:一门繁杂而又方向感十足的学问
2.循着数学的齿轮,缔造科学的路径
3.在潜意识中为数学亮一盏绿灯
4.空间是无限的,却并非是绝对的
5.数学理论在被定义之前,都经历了什么?
Chapter 05 天文科学——携手力学的无穷力量
1.天文学:一段大地与繁星之间的距离
2.天文学与人类文明的渊源
3.向天文学“取经”的动力学原理
4.每一束光线都曾踏过银河系
5.行进在路上的“新的力学”
6.来源于排斥与吸引的碰撞:气体
Chapter 06 概率学科——游走在不同学科中的无限可能
1.严谨科学的猜想之路——概率
2.影响概率的因素:主观与客观
3.源于假设,却精于结果的概率——函数
4.探究物理学中的概率问题
5.应用科学中最重要的——起因发生概率
6.著名的概率游戏
Chapter 07 光电领域——探访光学与电学的发展历程
1.“物理光学的缔造者”——菲涅尔
2.马克斯·韦伯的光学理论
3.拉格朗日的方程式
Chapter 08 电磁科学——源于自然的神秘现象
1.电磁学的始祖——安培
2.开路电流的相互作用
3.安培定理——闭路电流
4.开路电流的假象:究竟谁才是真理?
5.电学理论的不同声音
6.经典电子论创始者——洛伦兹
Chapter 09 数学物理——交叉领域的历史长河
1.数学物理,你了解吗?
2.物理学家的通行证:数学物理
3.数学物理的前世今生
4.物理学说的源头——中心论
5.物理规律——物理学科的核心
6.被忽略的领域——古老物理
7.实验物理的“产儿”——分析科学
8.能够探寻“光之源头”的望远镜
9.打破实验的传统观念的烙印
Chapter 10 数学科学——穿梭于各个领域的抽象发展
1.欲得前路,先溯往昔
2.数学的发展:量变固然重要,质变却是王道
3.数学发展的分岔路口
4你真的“会”算术吗?
5.平面与立体的碰撞——几何建立的空间秩序
6.从维度上观测空间的相对性
7.时空范畴的审视——空间维度
Chapter 11 现代物理——自然和宇宙的“百科全书”
1.物理学的“人际关系”
2.物理与力学的“神秘”关系
3.追溯力学运动的产生渊源
4.物理学在各个领域的延生
Chapter 12 新的纪元——物理学界的发展与挑战
1.特殊却并不完美的卡诺原则
2.没有绝对的绝对——相对原则
3.“苹果砸了牛顿的头”——重力学说到三大定律
4.化整为零——拉瓦锡法则
Chapter 13 科学价值——细数科学在人类社会的“生存现状”
1.科学界的双刃剑——裙带关系
2.自然法则——进化论和决定论
3.科学的钥匙——逻辑与事实
4.客观价值——科学的客观性与真实性
5.关于地球不得出说的秘密
6.“一场精心策划的活动”——科学发展
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本世纪初法兰西Z伟大的人物就是亨利·庞加莱。当我Z近在盖·吕萨街庞加莱通风的休息处拜访他时,……我的舌头一下子失去了功能,直到我用了一些时间(可能有两、三分钟)仔细端详和承受了可谓他思想的外部形式的年轻面貌时,我才发现自己能够开始说话了。
——英国哲学家 罗素
这位"如此美貌,如此年轻"的孩子,竟然是那些洪水般涌来、预示了柯西的一个后继者的到来的论文作者。
——英国数学家 西尔维斯特
庞加莱整个地改变了数学科学的状况,在一切方向上打开了新的道路。
——法国数学家 阿达马
我也曾尝试过一些三维空间的庞加莱猜想研究,但很快就放弃了。我认为我的研究方法应该没什么用。要解决这个难题,显然需要一些新的创想。
——美国数学家 史蒂文·斯梅尔
与庞加莱猜想的战斗,一着不慎就会“走火入魔”。
——德国数学家 沃夫冈·哈肯