数学抽象之美

若能理解抽象之数学,就会发现:数学之美令人窒息。数学美是简洁的,这主要体现于其符号化、对称性、统一性与抽象性。符号是意象的,数学及其推理都是抽象的(且比逻辑之抽象更为高级)。唯有意象或抽象,才能在形式上极具美感。

数学之方法与应用遍及天文、地理、物理、化学、生物、考古、计算机、信息化、建筑与电子工程等科技领域,且与经济、社会等科学亦联系密切。数学为科学发展提供了必不可少之工具,对于科学家理解与解释自然而言,数学是不可替代的。只有先学会欣赏数学那令人窒息之美,才能领略大自然至深之奥妙。

1:学科结构图

以建筑结构作为类比,可说明数学之基础性。如图1所示,黑色地基(1)表示数学,外墙(6)表示初级哲学,内墙、地板与天花板(7)表示宗教,屋顶(5)表示高级哲学;紧接着地基之楼层(2)表示自然科学,包括物理学、化学、天文学、音律学、计算机科学、电子、通信、自动化与控制、土木、建筑、机械、化学等理工科学科;自然科学之上的(3)表示联系自然科学与社会科学之交叉科学,包括考古、生物、地质、物流、管理、会计等;再上层之(4)表示社会科学,其最接近哲学,这表明,科学家若想具有哲学思辨能力,必须具有较深之社会科学素养,特别是文学素养。祖冲之、华罗庚、丘成桐数学家等,就是其中之佼佼者。

想象一下,当人们处身于某栋封闭建筑之内时,看不见天地,看不见屋顶、外墙,更看不见地基;能看见的,除室内物品外,就是内墙。这就是为什么其他学科人士无法领略数学之美、也不能很好地领悟高级哲学之根本原因。外墙表示普通哲学,因其显而易见,故大多数人都具有基本的哲学思辨能力,都能说出一些“有道理”的话。

当人们因无法解释一些现象、不能理解一些事情而感到忧心焦虑时,就会去期待心灵安慰或寻求宗教之包容与指导。当人们在空荡荡的房间里独处时,多半会在墙角、窗边等地寻找依靠、安慰或包容。因此,内墙、地板等具有宗教性质。

“九层之台,起于垒土”,建筑物越高,地基就必须打造得越扎实、越深厚,否则随时都有倒塌之可能。当自然科学蓬勃发展之时,若数学应用不能被同步推广起来,则自然科学所获之结论将很难存活长久。科学共产主义之创始人、德国思想家卡尔·马克思(Karl Marx,1818-1883)曾有言:“一门科学,只有成功地应用到数学,才能达到完善的地步。”由此可见数学之重要性。而数学在应用于科学时,其简洁性与抽象性必将使得该应用过程充满了各种各样的美感。历史上,波兰神学家哥白尼(Copernicus,1473-1572年)发现古希腊学者托勒密(Ptolemy,约90-168年)之地心说推理繁琐,单从数学简洁之角度,他就觉得应该推翻托勒密。而百余年后,德国天体物理学家开普勒(Kepler,1571-1630年)也感觉到哥白尼天体运行模型数学美之不足,于是决定对行星采用椭圆型轨道。

光总是沿直线传播,植物叶序按其通风、采光之最佳布局排列,某些攀援植物(如藤类)所选之螺旋式上攀路径对其来说最省力,(体积一定的条件下)蜂房之结构最省材料,大雁迁徙时排成人字形之队伍空气阻力最小;人与动物粗细血管直径之比在输导液体时能量消耗最少……。这些最佳、最好、最省等事实,来自生物进化与自然选择,并同时展现了自然界之简洁与和谐。宇宙万物如此,数学也如此。

科学巨擘、英国物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家牛顿 (Newton,1643-1727年)曾说:

数学家不但更容易接受漂亮结果、不喜欢丑陋结论,而且他们也非常推崇优美与雅致的证明、不喜欢笨拙与反复的推理。

故数学之简洁性首先体现在其符号化表述。一种文化必须有其文字,文字其实就是一种符号,仓颉造字时天地惊而鬼神泣,可见符号之运用实有神鬼莫测之机能。对于数学也一样,数、字母、代数式,还有图,这都是数学之符号。将数学符号化,是使数学简洁化之首要而必不可少的手段。若无符号表示数学及其运算,数学之发展是无法想象的,这正如若无文字,语言与文学就难以发展一样。数学符号是贯穿于所有数学分支之支柱,恰当而巧妙地运用符号去简化所要思考之问题,可使得相应之理论更容易被人接受。如,微分方程表示函数之变化率与自身之大小成正比,而定积分表示函数在区间内所覆盖之面积。读者试回想定积分之定义,若函数所对应之图形不是直线或折线,求其覆盖面积要做无穷划分,这是很繁琐的。

数学符号与运算法则就像道教正一派之符箓。符作为一种文字,曲折难辨、似书亦似图,令人茫然无知,但道教认为其能召致鬼神、厌镇精魅。《三洞神符记》中记载:

此符本於结空,太真仰写天文,分别方位,区别图像符书之异。

道经认为,符本身乃天上云气自然结成,后由太上老君等神仙将它传于人间。据《淮南子·本经训》记载:

昔者仓颉作书,而天雨粟,鬼夜哭。(高诱注云:鬼恐为书文所劾,故夜哭。)

可见,符(号)之形态,决定了其功能与(计算)法则。

数学符号之发展,与道符之发展基本类似:从少到多,从简单到复杂。这实际上与生命体之进化也颇有相通之处。道符形成于东汉,其造作大概是模仿古代君主用以传达命令或调动军队之虎符,这就正如将加减乘除应用于自然数一样。随后,人间符被改换后应用于神鬼世界,遂有天符、神符之出现。据《日书》乙本记载,战国时期之巫师已经在使用禹符,也称作巫符。早期的道派继承了多数巫术且加以发展,最终形成庞杂之道教,巫符也便转变成了道符,并且发展出了成卷连篇之符书。如:东汉时期之《太平经复文》、《灵宝五符经》、《五芽真文》、《三皇文》等;而东汉以后,新的道符越来越多,如葛洪《抱朴子·内篇·遐览》中著录大符五十六种,合五百馀卷。道教符书文句连贯,比巫符字多量大,因此表现力更为丰富。这一过程,与初始之数字符号向后世复杂繁多之数学符号演变,如出一辙。

在数学中,有符号就必须有法则,这就是抽象;在道教,有符就必须有箓,箓出于自然之气,这就是意象。这一点,与所有的数学法则都出于自然数有异曲同工之妙。《正一修真略仪》记载:

神符宝箓,其出自然,故於元始赤明浩劫之初,浑茫之际,空中自结飞玄妙气,成龙篆之章,乃元始神尊化灵应气然也。

箓以检劾三界官属,御运元元;统握群品,鉴骘罪福,考明功过,善恶轻重,纪於简籍,校诫宣示之文;掌觉灵图,推定阳九百六天元劫数。又当诏令天地万灵,随功役使,分别仙品,众官吏兵,亿乘万骑,仙童玉女,列职主事,驱策给侍之数目。浩劫无穷,太上十方至真众圣,皆互禀师资,结盟受授,从俗登真,永保生道。

即箓为笔画曲折、呈龙形之符字,得其箓者,即可召唤箓上神吏兵将护卫,役之施行道法。同时,它对受箓者亦可形成一种约束。故《正一修真略仪》书中又云:

箓者,戒箓情性,止塞愆非,制断恶根,发生道业。从凡入圣,自始及终,先从戒箓,然後登真。

经过长期演变后,道教内部形成了正一、灵宝、上清、神宵、清微、净明等法箓,以作为入道凭信与道阶之标志。唐代时,道教从正一法箓,经三皇法箓、灵宝法箓依次递升,直到最高之上清法箓,总计一百二十阶,最为完备。元以後,神宵、清微等法箓渐渐并入龙虎山正一派,元、明时代又由龙虎山大真人总领茅山(上清)、合皂山(灵宝)与龙虎山(正一)三山符箓,符箓派遂以正一道为代表,正一法箓也从此增至三十六种。迄今为止,法箓之授受仍是正一派之宗教活动盛典。受箓后,道士方具有法师资格。

数学符号抑或道教符箓,其本身只是一种被选定之记号,并无多大意义。但一旦其取代了某个事物,则有意想不到之神奇。当人们在闷热无风之夏夜发出“呜——噜噜噜噜噜噜噜”之呼唤“咒语”后,马上便会清风徐来。作者无法解释其因,但自从被奶奶教会如此“召唤风神”后,从小到大,屡试不爽。或许是因为作者祖祖辈辈都生长于中国道教圣地、道教正一派之祖庭龙虎山附近,因此对于符箓之信仰不但始终无法被科学磨灭,反而数学读得越多,就越觉得其符号系统与道教正一派之符箓系统有着相通之处。

符箓必须与咒语相结合,这就像数学符号必须有运算口诀或法则一般。有符无咒,不起法效;有咒无符,那纯粹是鬼叫。道士念咒前先画符,而画符前必先沐浴更衣、焚香敬神、行法礼、念八大神咒;礼毕方可画符,否则所画之符仅是一幅书法而已。咒语即具有特殊音频效应之口诀,道教以之养生辅助、祈福消灾或召驱鬼神,以达到施行者之特殊目的。如图2所示,左为古人求取功名之学业文昌符,今日民间仍有遗风;中为夫妻和合符,能使夫妻和合减少争吵,感情恩爱;右为五雷符,随身携带可护身、避免意外盗难。

图2:文昌符、夫妻和合符与五雷符

第三十代天师张继先真人在《开坛法语》中道:

吾家法禄,上可以动天地,下可以撼山川,明可以役龙虎,幽可以摄鬼神,功可以起朽骸,修可以脱生死,大可以镇邦家,小可以却灾祸。

这与(南宋)秦九韶在《数书九章·序》中对数学之评价有异曲同工之妙:

(数学)大则可以通神明,顺性命;小则可以经世物,类万物。

若中世纪以前之数学家复活到现在,他会认为这些数学符号是神仙符咒,若念对了,则可获得战胜自然之无比力量。

3:唐代符箓纹镜


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