师说 | 科学世界里的“真善美”
发布时间:2022-03-28 07:15 来源:《山东教育》高教2022年3月刊作者:徐传胜 A+A-
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师说


徐传胜,临沂大学数学与统计学院教授,硕士生导师。


艾青言,“真、善、美是统一在人类共同意志里的三种表现”,人类社会因有真善美而呈现多元统一性,恰如客观世界是确定性和随机性、必然性和偶然性、有序性和无序性的辩证统一。当今世界唯一的确定性就是其不确定性和变化性,有序运动会产生无序,而无序运动又蕴含更高层次的有序,故看似偶然性起作用的地方,其始终是受内部隐蔽规律所支配;故在科学世界求索不辍、追逐真善美之时,亦是发挥自身主观能动性,认识、尊重和改造客观世界的历程。

 

质疑:求真之源

 

质疑是训练和提升创新思维的基本科学素养之一。“我思故我在”,若有可能的话,笛卡儿会试图对世界上所有东西都怀疑一遍。正是依靠对世间万物的质疑和科学精神的引导,笛卡儿成为近代一流哲学家、数学家和物理学家。从运动角度出发,他把代数与几何联系起来,创造性地构建了坐标系。解析几何的创立被恩格斯赞誉为数学发展的重要里程碑之一。

愈是司空见惯的问题,愈应打破传统思维模式,换个角度来审视。如1+1=?这是小朋友都能回答的问题。若答案为2,则蕴含两个数学前提:数码为十进制,运算是通常加法。试想,若是在二进制基础上,其结果则为10。而若重新定义“加法”,其答案又会不同。

再如,三角形内角和是多少?这也是耳熟能详的问题。然而,三角形内角和不等于180度,在何情形下成立?从公元前3世纪到18世纪末,欧几里得第五公设一直被质疑。对该问题的质疑和研究,拓展了几何学范围,由此诞生了黎曼几何和罗巴切夫斯基几何等非欧几何学。

若要突破具有两千年根基的传统几何思想束缚,需要有非凡的勇气和顽强的意志。同前辈一样,罗巴切夫斯基最初亦是试图证明平行公设,但他很快意识到思路和证明有误,根本就不存在第五公设的证明。他改变平行公设,即在平面上过直线外一点,存在无数条平行线,并按逻辑推理得出一系列结论。诸如,三角形内角和小于180度;三角形变大,使三条高皆无限增长,则三个内角全部趋于零;不存在面积任意大的三角形,等等。这在欧几里得几何里难以理解,这是由质疑引发的全新探索途径。非欧几何是人类认识史上富有创造性的伟大成果之一,其对数学、物理学、天文学及人类时空观念的变革皆产生了深远影响。

“学贵有疑,小疑则小进,大疑则大进。”在数字化、智能化和信息化的新时代,质疑尤为重要。故创新就要有创新意识、创新思维和独特个性,凡事都要多问几个“为什么”。善于刨根问底,敢于质疑专家、权威和现有理论,方能有所创新、开拓新的研究疆域,也才能使科学研究走向尽真尽善尽美之路。

 

拓展:止于至善

 

苏霍姆林斯基道:“只有教师思考的大脑才能教会学生大脑的思考,同样只有喜欢学习的教师才能培养喜欢学习的学生。”“活到老,学到老”一直是我的座右铭。考博是对我人生的一项挑战和超越,学业攀登之路可谓困难重重:英语底子薄,毕业时间长,年龄偏大,没有硕士学位等,但我从未因这些“拦路虎”而产生半点退却之心。

我经常鼓励自己:从几何维度来看,若你的世界仅仅是一条一维曲线,即便是一颗小小的沙粒也会成为永远迈不过去的坎;如果你的世界是一张二维曲面,哪怕是一条细若游丝的线,也会成为横亘面前无法逾越的鸿沟;而若学习修炼得足够强大,将你的世界扩展到四维空间,就算是面前铺展开一面无边的墙,也无法阻止你欣赏墙后面的美丽风光。我之所以下定决心考博,就是想永葆与时俱进的学习风范,不断拓展科学知识视野,进一步锤炼科研能力,从而观赏到更加美丽的数学风景。

就像我们的人生发展规划总是在不断向上和向外拓展一样,数学发展也是一个不断拓展的历程。从数来看:人类最早认识的是诸如1、2、3等自然数,然后有了分数和负数(中国最早认识了负数),进而产生了有理数、无理数、实数、复数和超复数等。从形而言:从数轴、平面直角坐标系到空间直角坐标系,所描述的空间由一维、二维到三维,之后又推广到n维,乃至无限维。我们所处的科学世界的维度越高,看到的风景就越绚烂辉煌。

牛顿1666年发现了万有引力定律、创立了微积分,这是其卓越的科学成就。“如果我看得更远些,那是因为我站在巨人的肩上。”像牛顿一样在年轻时便有了举世瞩目科研成果的科学家还有很多:高斯在24岁时创立了近代数论;年仅18岁的伽罗瓦创立群论思想;爱因斯坦1905年提出狭义相对论时,只有26岁;纳什21岁就提出了均衡理论;海森伯27岁时提出了量子力学的测不准原理;生物学家沃森1953年发现DNA双螺旋结构时,年仅25岁……

这些科学家的共同特点,都是“站在巨人肩上”,善于总结前人的经验和教训,不断推广或拓展已有研究成果,故其在年轻时就能做出改变世界的成果。正是一代代学者的传承发展、相互扶持和积极拓展,方使科学发展之路至真至善。

 

初心:由简入美

 

追求美丽、和谐与简单,是美学的最高境界和评判标准,亦是宇宙论的最基本特征之一。

为简化古希腊的“地心说”理论,哥白尼打破传统天文学理念,大胆提出“日心说”理论,其完美诠释了行星各种不均匀性运动,同时让宇宙结构理论变得简洁、优美。

西湖美景如画,这是自然美;《蒙娜丽莎》的永恒微笑,这是艺术美;《再别康桥》令人回味无穷,这是诗歌的意境美;使一个方程具有美感,比使其符合实验更重要,这是科学美;欧几里得几何“犹如初恋般令人神魂颠倒”的感受,这是数学美。“世界上并不缺少美,只是缺少发现美的眼睛。”只要我们保持明净初心,善于观察和思考,每个人都能感受到美,也都能为世界绽放美丽作贡献。

“数学是化复杂为简单,化奥妙为常识的一门学问。”陈省身认为,人生也是一样,越是单纯的人,就越容易成功。他对《数学之美》记者说:“数学当然很美了!有许多复杂的观念,用数学推理就能得到其结论。因此该观点就是完全对的,在任何情况下都是对的。许多人念数学,觉得学数学困难,是因其不知道欣赏一个个重要数学结果。”对于一般三角形内角和情形由高斯-博内公式给出,陈省身于1944年第一个给出其内蕴证明,攻克了这个“几何学中极其重要和困难的问题”。

美有不同呈现:壮美、俊美、秀美、柔美、优美等。“中间大,两头小,左右对称。”大自然和人类社会中几乎随处可见正态分布的身影,黄金分割率更是俯拾皆是。而欧拉恒等式把0、1、i、π和e这5个重要常数联系在一起,意味着美丽、数学和科学的不可分割性,实是妙哉!

为改观学生对数学的误解,我大力践行“享受数学,快乐学习”的教学理念,让数学学习人文化和人性化,使数学文化浸润学生的学习过程,培育其感受数学之美的初心,陶冶其体悟数学之美的情操,进而逐步引导其进入广袤而深邃的数学世界,欣赏数学世界的空谷幽兰、冰山雪莲和绝顶灵芝。当学生从“无知”到“顿悟”,认知曲线蕴含着万种美丽风情,其中隐藏着浩瀚宇宙和日月星辰变化,隐藏着四大文明古国的自然观、科技观和人文观,隐藏着庙宇与祭坛的测量和建造中的数据和算法,隐藏着科学家的努力与挫败,他们自然会领悟到这条条曲线竟是如此美丽的无价之宝。

纵观科学史研究,深感其是对科学理论不断质疑、简化和拓展的攀登之路。世上没有完全相同的两片叶子,更没有完全相同的两个人,只要砥砺逐梦,人生一定会因奋斗而变得精彩动人、奇妙无比。


作者:徐传胜

编辑:扈美辰

审核:王骄

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