假如你的孩子是一个中学生。有一天突然对你说:他刚刚得到一个重大发现,他买的那只水杯,500克水就可以完全装满,但是,如果想要湿润一次杯子的内壁,把地球上所有的水都用尽了还不够。你会怎么想?
轻者,你会把孩子训斥一顿。重一点的,可能会把孩子送到医院神经科,做一次详细的检查……
但是,假如说话的不是你的孩子,而是一位德高望重的老教授、学术界的大明星、科学院的资深院士、世界著名的数学大师——并且严肃地告诉你,这个结果是完全正确的,你必须无条件地接受他的这个结果。
这时,你信还是不信?
这明显有悖于人的直觉:体积有限的物体,表面积却可以是无限的!
换句话说,填满整个托里拆利小号只需要有限的水(π),但把托里拆利小号的表面润一遍,却需要无限多的水!
这本来是一个很好的微积分练习题,但没有一个数学家有勇气将其编入教材。
一方面是人类千万次实践的亲身体验,一方面是人类思维的骄傲——微积分。现在,二者发生了不可调和的矛盾,我们到底该相信哪一方呢?
这个问题历经 400 年,经过无数数学大师的检查,始终无法发现它在计算上有什么错误。于是,数学家们宣布,这个问题的正确答案,就是这样。
宣布这就是正确答案,等于同时宣布了数学真理的判别标准:当数学证明与人类社会实践结果发生冲突时,人类的实践不是检验真理的最终标准,数学家的数学证明才是检验真理的最终标准。
这与马克思主义背道而驰。
数学是人类思维的花朵,主体是意识;人类的实践是物质运动,主体是物质。宣布这就是正确答案,等于宣布了意识第一性、物质第二性:意识决定物质,是典型的唯心主义。
在唯心主义者看来,这个答案是完全可以接受的。但在马克思主义者看来,这个答案是不可接受的,因为它与人们千百年来无数次的实践结果不符。
为了捍卫马克思主义,我们必须改进数学理论,让理论服从实践,让物质决定意识,而不是相反。
那么,问题出在哪里呢?
问题出在人类对于无穷概念的认识与应用上。
其实,早在 2000 多年前,古希腊的伟大学者亚里士多德就已经认识到:在数学中,只能接受潜无穷而不能接受实无穷,否则便会得到荒谬的结果。
所谓实无穷,就是对一个已经形成的、具有一定尺寸、一定形状的、实实在在的静态物体进行无限分割,并且总是分割不尽。例如,流传甚广的“一尺之棰,日取其半,万世不竭”,对一枝已经制作完毕的木棒无限分割,就是典型的实无穷。现代科学已经证明,我们的宇宙是一个量子的宇宙,宇宙中最小的物质单位是量子。当木棒分割到一个量子的尺度时,就无法再分割——因为量子是不可再分的。
所谓潜无穷,就是对物体的某一运动过程进行无限分割,总是分割不尽——没有最小,只有更小。例如,一只蜗牛每秒钟移动的距离(物理学中称为“位移”)可以是 1 厘米、1 毫米、1 微米、1 纳米,十分之一纳米、百分之一纳米、千分之一纳米、万分之一纳米、亿分之一纳米……无论多么小,总是允许的。
按照亚里士多德的理论,一把小号是一个已经形成的物体,它已经制造完毕,具有固定的重量、固定的长度,因此,不能将无穷用到它上面。如果我们想要求它的表面积、体积,一个必要条件是它已经制作完毕,具有确定不变的形状。
在前面的求解过程中,由于假定小号的长度是无限长,等于暗中承认了实无穷的存在,相当于这把小号一直在延长着,运动着,并且这种尺寸上的成长永无终止,这是一把没有完工的小号。长度不是固定的而是一直在增加着的小号。它导致了荒谬的结论:一个体积有限的小号,其内表面积居然是无限的!
内表面积:
$\begin{split}S_内=\int_1^\infty {2\pi}\cdot ydx=\int_1^\infty \frac{2\pi}{x}dx=\left[2\pi lnx\right]_1^\infty=\infty\end{split}$
体积:
$\begin{split}V_体=\int_1^\infty \pi\cdot y^2dx=\int_1^\infty \frac{\pi}{x^2}dx=\left[-\frac{\pi}{x} \right]_1^\infty=\left[\frac{\pi}{x}\right ]_\infty^1=\pi\end{split}$
这个计算结果动摇了人们的信仰——在这个世界上,到底什么才是真理?是我们自己的亲身实践、还是知名学者的数学证明?
英国哲学家霍布斯(1588 -1679)评论道:为了理解托里拆利小号,你不必进修成逻辑学家或几何学家,你应该变成疯子。