数学究竟是什么?人们为什么要学那么年的数学?数学家们到底在研究什么?数学的终极目标又是什么?
从人类文明史来看,数学始于计量、土地测量。你打到了几只猎物,得有个准确的描述;你租用了地主家几亩地,地主心里得有个数,依此去收租。到了近代社会,发展出了科技,讲究的就是一个精准。现在呢,大数据时代,一切都数字化了。
对许多人来说,数学就是做数字加、减、乘、除的。这说对了一半,数学的研究对象还有形状;当然,形状也是可以用数值来表示的。另一方面,数学是现实世界的抽象,它的本质就是把对象之间的相互关系抽象出来。通俗地说,关系就是对象们分分合合的规则。我们还得控制那些规则,这就有了公设。在基本公设下进行演绎,不致于推出自相矛盾的悖论。比如,欧氏几何就是基于五条公设,来控制形状的变化规则。
目前的数学,在大的方向上,可以分为算术、代数、几何、分析、拓扑、离散数学。小的分支则有六十多个;或者说,有六十多种数学结构或体系。每一个体系都有三个组成部分:一是研究的对象,比如各种数字、形式;二是对象之间的相互关系,它们如何组合、变化。最基本的关系有三类:顺序关系、代数(运算)关系、拓扑(几何)关系;其它关系都是这三种的组合。第三是几条基本公理,或者说,该体系的出发点。
例如,数理逻辑的研究对象是命题;命题之间的组合关系有三种:非、或、与。非是否定词“不”,或就是两句话的合并,或者两个集合的并集;与则是“且”,是两个集合的交集、公共部分。当然还有其它的连结词,比如“因为。。。所以”, ”除非“,但是都可以用三个基本连结词表出。基本公理有七、八条,比如,双重否定等于肯定,De Morgan定律等。
物理学的结构何偿不是如此呢?它的研究对象是自然物体;各物体之间的关系就是它们如何运动、变形。牛顿力学的公设是牛顿第二定律、库克定律;相对论的基本公设就是等价性原则、光速不变原则;电磁学的基本公理是库伦定律、Biot-Sarvart定律。量子理论的标准模型尚无公设,所以众说纷纭,莫衷一是。(我写出来的两条公理,那些家们又不承认。)
正如物理学家们追求一个大一统的理论一样,大数学家Hilbert也问到,有不有一个公理体系,涵盖所有数学结构,而又不推出自相矛盾的结论呢?也就是至少能够自圆其说。Godel的两条不完备性定理击碎了这一梦想。正如Haisenberg的不确定性原理一样,这个世界的不确定因素太多,世界万象很难有一个统一的表述。
在数学中,数字决不仅仅是0、1、2、3. 人们能够构想出来的“数“,其实是不可计数的,很难有一个式子,可以包罗万像。数学的终极目标,就是一个收敛性问题,或者说,不可数和式有不有一个收敛的、可数的、最好是有限的表达式。物理学家们可不纠结于这一点,连续和式随手写来,管它收敛不收敛!波函数、Feymann积分都是例证。我把和式用集合表示,各变元经过换序、重组、换元,收敛性依目标式子的不同,可以一点点地实现。这就是我对几个猜想的证明思路。
对大众来说,学习数学可不是什么思维训练。一门数学其实就是一所学校的一门生意,数学竞赛更像是一个游戏。你付费来参与,其实是政府为了增加流动性。不学某门课程当然行,可是有时候你就进不了某一行业的门槛;客户也会说,你没有资格做这个。数学、科学家们干的都是苦差事,为的是,也许后人会用得着。